Il metodo di iniezione "cavallo di Troia" consente un laser a elettroni liberi a raggi X ultracompatto

I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) vengono utilizzati per creare condizioni estreme della materia, consentendo la ricerca fondamentale in aree come la scienza dei materiali, la ricerca sulla materia densa calda e lo sviluppo di farmaci. Attualmente, tali laser sono dei colossi, che richiedono configurazioni su scala chilometrica che costano miliardi. Ricercatori a Università di Strathclyde nel Regno Unito hanno ora presentato un nuovo progetto per un XFEL miniaturizzato basato su un acceleratore di wakefield al plasma (PWFA). Il dispositivo, che sarebbe grande solo pochi metri, potrebbe preannunciare l'avvento degli XFEL ultracompatti di prossima generazione, dicono.

"I FEL contengono un fascio di elettroni relativistico che oscilla su un percorso sinusoidale all'interno di un 'ondulatore' con un campo magnetico alternato", spiega il ricercatore capo Fahim Habib. "Come risultato del movimento oscillatorio, il fascio di elettroni emette raffiche di fotoni e un effetto di feedback positivo struttura il fascio di elettroni in micro-grappoli alla lunghezza d'onda della radiazione".

Il risultato di questo raggruppamento è che la potenza della radiazione cresce in modo esponenziale lungo l'ondulatore e diventa altamente coerente. Tuttavia, questo effetto di auto-organizzazione può verificarsi solo se il fascio di elettroni è di alta qualità a energie relativistiche. Una qualità del raggio così elevata viene raggiunta oggi utilizzando acceleratori lineari (linac), che rendono gli XFEL lunghi chilometri.

Acceleratori a base di plasma

Gli acceleratori basati sul plasma potrebbero produrre tali fasci multi-gigaelettronvolt (GeV) su distanze molto più brevi, di soli centimetri, con qualità del raggio che si avvicinano a quelle richieste per gli XFEL. Habib e colleghi hanno ora dimostrato che i fasci di elettroni dai fotocatodi al plasma possono essere molto più luminosi di quelli prodotti nei linac e possono essere prodotti in un PWFA.

Gli acceleratori di Wakefield funzionano sparando un raggio denso di particelle cariche come gli elettroni in un plasma stazionario (essenzialmente un gas di particelle ionizzate). Il fascio di elettroni separa le cariche negative (elettroni) dagli ioni stazionari di fondo nel bersaglio creando una breve onda di plasma finale. Il campo elettrico associato a questa onda di plasma accelera le particelle cariche che seguono la sua scia, da cui deriva il termine wakefield. Se un gruppo di particelle cariche in coda è cronometrato correttamente, può cavalcare quest'onda ed essere accelerato ripidamente - fino a energie cinetiche di GeV su distanze di pochi centimetri. Tuttavia, la qualità del raggio è lontana da quella richiesta per gli XFEL

Il PWFA avanzato sviluppato da Habib e colleghi è dotato di un nuovo metodo di iniezione di elettroni chiamato fotocatodo al plasma (noto anche come "cavallo di Troia") e può produrre fasci di elettroni 100,000 volte più luminosi di quelli nei linac grazie alla distribuzione a bassa quantità di moto dei fasci.

L'intero sistema ha una dimensione di pochi metri

Nel loro lavoro, che è dettagliato in Nature Communications, i ricercatori hanno studiato come estrarre, trasportare, isolare e iniettare i fasci di elettroni ad altissima luminosità dal fotocatodo al plasma PWFA in un ondulatore senza perdita di carica e qualità. «Focalizzato in un ondulatore, il fascio di elettroni di altissima qualità produce al volo potenti impulsi fotonici coerenti a lunghezze d'onda di Angstrom con una durata dell'impulso a livello di attosecondi», spiega Habib. "La parte affascinante è che l'intero sistema ha una dimensione di pochi metri rispetto alle macchine XFEL chilometriche all'avanguardia".

Il Regno Unito dà il via al lavoro di progettazione di un laser a elettroni liberi a raggi X

“Anche se c'è molto lavoro da fare, i nostri risultati sono le prime pietre miliari verso gli XFEL ultracompatti di prossima generazione. La nostra visione è quella di trasformare questa tecnologia in uno strumento standard per i laboratori di livello universitario o anche per gli ospedali", afferma Habib Mondo della fisica.

“La prima prova sperimentale per l'iniezione di fotocatodo al plasma in PWFA è stata ottenuta nel nostro cavallo di Troia collaborazione presso la struttura SLAC FACET del nostro partner strategico Stanford”, aggiunge il team leader Bernhard Hidding. "Ora, con il nostro programma presso la struttura successiva, SLAC FACET-II, miriamo a sfruttare il vero potenziale del sistema in termini di qualità e stabilità del fascio.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/trojan-horse-injection-method-enables-ultracompact-x-ray-free-electron-laser/