Figura 1 – Un modulo dell’ondulatore di SPARC.
Una particella carica in moto su un’orbita curvilinea emette spontaneamente radiazione elettromagnetica detta luce di sincrotrone [1]. La prima osservazione diretta di questo fenomeno fu effettuata nel 1947 osservando l’intensa luce uscente da una finestra installata su un piccolo acceleratore circolare di particelle, un sincrotrone appunto, ed è stata considerata per molto tempo un effetto di disturbo per la dinamica delle particelle accelerate, che perdono parte della loro energia proprio sotto forma di energia irraggiata. Uno studio più accurato del fenomeno [2] rivelò che la luce di sincrotrone è la sovrapposizione di un ampio spettro di radiazioni con lunghezze d’onda che si estendono dal lontano infrarosso fino ai raggi X e che può essere utilizzata come potente sorgente di radiazione per effettuare indagini sulla natura microscopica dei materiali, delle cellule, delle proteine e per ottenere immagini ad altissima risoluzione di tessuti biologici.
Dalla luce di sincrotrone al laser
Figura 2 – Moto degli elettroni all’interno dell’ondulatore e corrispondente curva di crescita di intensità della radiazione emessa. Il fascio di elettroni (ellisse arancione) è rappresentato nelle tre fasi principali: letargia, crescita esponenziale, saturazione.
Il Laser ad Elettroni Liberi [3], spesso chiamato FEL dall’acronimo inglese Free Electron Laser, è una sorgente di luce di sincrotrone in grado di produrre radiazione elettromagnetica monocromatica anche a lunghezza d’onda inferiore a un milionesimo di millimetro (raggi X). Questo dispositivo consiste essenzialmente in un lungo magnete, detto ondulatore e visibile in Figura 1, caratterizzato da un campo magnetico sinusoidale prodotto da una serie di piccoli dipoli magnetici con polarità alternata, in cui viene iniettato un fascio di elettroni di alta densità di carica prodotto da un acceleratore lineare (Linac). All’interno di questa struttura magnetica gli elettroni emettono radiazione di lunghezza d’onda λr, detta di risonanza, direttamente proporzionale al periodo del campo magnetico dell’ondulatore λu e inversamente proporzionale al quadrato dell’energia degli elettroni γ2: λr ~ λu / γ2 [4].
In una prima fase, detta di letargia, l’interazione tra il fascio di elettroni e la radiazione emessa dal fascio stesso mentre viaggia all’interno dell’ondulatore produce una ridistribuzione spaziale degli elettroni in tanti piccoli pacchetti, distanziati esattamente una lunghezza d’onda di risonanza, come mostrato in Figura 2.
In questo modo miliardi di elettroni si auto-organizzano per partecipare all’emissione di radiazione in fase tra loro (coerenza) e alla stessa lunghezza d’onda (monocromaticità) con una crescita esponenziale della potenza emessa. Il processo si arresta quando gli elettroni hanno convertito in energia elettromagnetica una frazione tale della loro energia cinetica iniziale (~5%) da non soddisfare più la condizione di risonanza: si è nella fase di saturazione. Inoltre, poiché la lunghezza d’onda emessa dipende dall’energia degli elettroni, è possibile modificare la lunghezza d’onda cambiando l’energia del fascio iniettato nell’ondulatore, cosa impossibile con i laser convenzionali.
Figura 3 – Schema del progetto SPARC.
Il FEL consentirà di aumentare di parecchi ordini di grandezza la potenza di picco (flusso di fotoni) rispetto alle migliori sorgenti attuali di luce di sincrotrone, con notevoli vantaggi per la ricerca e per la tecnologia industriale. Si potranno utilizzare ad esempio tecniche innovative basate sulla formazione d’immagini a raggi X, sia nella scienza dei materiali (nanotecnologie) che in biologia o medicina, aprendo nuove prospettive nella microscopia a raggi X e rendendo possibili nuove metodologie nel campo della cristallografia delle proteine.
Il progetto SPARC
Nato da una collaborazione tra l’INFN, l’ENEA e il CNR, il primo FEL italiano in grado di produrre radiazione monocromatica a 500 nm (nella regione dello spettro corrispondente al verde) è entrato in funzione nel Gennaio 2009 a Frascati.
Lo schema di Figura 3 illustra le componenti principali di SPARC. Un fascio di elettroni viene generato per effetto fotoelettrico da un catodo in rame posto all’interno di una struttura accelerante (Gun) che cattura il fascio e lo accelera fino all’energia di 5 MeV. Il fascio viene ulteriormente accelerato fino all’energia di 150 MeV da tre strutture acceleranti e trasportato fino all’ingresso dell’ondulatore, composto da sei moduli di circa due metri di lunghezza ciascuno con un campo magnetico massimo di circa 1 T e periodo di 2.8 cm. Per cambiare l’energia del fascio e di conseguenza il colore della radiazione emessa è sufficiente variare il campo accelerante nel Linac. Un’immagine recente del Linac di SPARC è riportata in Figura 4
Figura 4 – Vista del Linac di SPARC.
SPARC è un esperimento pilota in cui vengono studiati nuovi schemi di generazione di fasci di elettroni e soluzioni innovative per migliorare la qualità e la durata temporale della radiazione emessa, in vista di possibili sviluppi nell’area romana di macchine di maggiore energia (1-2 GeV) in grado di generare radiazione X. La produzione di impulsi di radiazione ultra-corti, della durata inferiore a decine di femtosecondi, aprirebbe nuove prospettive per lo studio di fenomeni veloci caratteristici delle reazioni chimiche di interesse biologico, quali ad esempio le reazioni fotosintetiche.
Il panorama internazionale e il futuro
I notevoli risultati ottenuti nell’ultimo decennio con gli esperimenti pilota negli Stati Uniti (UCLA, VISA e LEUTL), dove la fisica del FEL è stata studiata in dettaglio fino al regime di saturazione, e la prima macchina aperta anche agli utenti, FLASH a DESY (Amburgo), in grado di offrire radiazione coerente fino a 5 nm, hanno stimolato il proliferare di nuovi progetti in tutto il mondo, come illustrato nella Figura 5.
La frontiera dei raggi X (1 A) è stata raggiunta nel 2009 con il progetto LCLS a SLAC (Stanford) con un fascio di elettroni da 15 GeV, offrendo un nuovo strumento rivoluzionario a una vasta comunità scientifica.
Figura 5 – Distribuzione dei progetti FEL nel mondo. I cerchi bianchi indicano gli esperimenti pilota non più in funzione. I cerchi colorati indicano i progetti in via di sviluppo basati su tecnologie superconduttive (blu) e normal conduttive (rossi).
In Italia oltre al progetto dimostrativo SPARC sta per entrare in funzione un altro FEL a Trieste in grado di offrire radiazione di lunghezza d’onda fino a 10 nm. La comunità scientifica si sta ora organizzando per un ulteriore passo significativo: la realizzazione di un FEL a raggi X ultracompatto. La via maestra a questo scopo sembra passare attraverso lo sviluppo di acceleratori di particelle a plasma [5], in grado di produrre campi acceleranti fino al TV/m, riducendo così le dimensioni di un FEL a raggi X da alcuni chilometri a pochi centimetri.
