La nuova linea di fascio FEBE migliora le opportunità di ricerca

L'acceleratore lineare compatto per la ricerca e le applicazioni (CLARA) è una struttura che produce fasci di elettroni ultra-luminosi per diversi tipi di ricerca e applicazioni. Situato presso il STFC Daresbury Laboratory nel Regno Unito, CLARA offre un'opportunità unica per testare varie tecnologie e metodi in settori come il trattamento medico e l'accelerazione avanzata delle particelle. Con l'obiettivo di rendere questa struttura ancora più utile, si sta progettando e costruendo una nuova linea di fascio chiamata Full Energy Beam Exploitation (FEBE). Questa linea di fascio permetterà ai ricercatori di accedere a fasci di elettroni da 250 MeV e di condurre una vasta gamma di esperimenti.

#Obiettivi di FEBE

L'obiettivo principale di FEBE è fornire uno spazio dove i ricercatori possano condurre esperimenti usando fasci di elettroni di alta qualità. Questi fasci sono essenziali per molte applicazioni innovative, tra cui:

1. Applicazioni Mediche: I ricercatori stanno esplorando l'uso di elettroni ad alta energia per terapie che trattano il cancro.
2. Tecnologia di Accelerazione Avanzata: Questo include il test di nuovi metodi per accelerare particelle usando laser e altre tecniche.
3. Esperimenti con Fasci di Particelle: Questo ambito di ricerca si concentra su come i fasci di particelle possono essere manipolati e utilizzati in varie applicazioni.

Vista l'interesse crescente della comunità scientifica, FEBE includerà spazi dedicati per esperimenti, assicurando che i ricercatori possano svolgere il loro lavoro senza interferire con le operazioni principali dell'acceleratore.

#Progettazione della Linea di Fascio FEBE

La linea di fascio FEBE sarà costruita parallela a un'area originariamente pianificata per un altro progetto. Questa nuova configurazione è progettata per massimizzare l'accesso degli utenti al Fascio di elettroni, mantenendo sicurezza e stabilità. Il layout incorpora grandi camere di esperimento per ospitare vari esperimenti.

#Caratteristiche Principali del Design

1. Aree di Esperimento Dedicato: Il design include un'area protetta che consente ai ricercatori di accedere alle camere sperimentali senza dover spegnere l'acceleratore. Questa caratteristica riduce i tempi di inattività e garantisce un'operazione stabile durante gli esperimenti.

2. Configurazione Flessibile: Le camere di esperimento saranno progettate per ospitare più tipi di esperimenti, comprese quelle che richiedono un controllo preciso sul fascio di elettroni.

3. Integrazione di Laser ad Alta Potenza: La linea di fascio permetterà anche di combinare i fasci di elettroni con laser potenti. Questo è particolarmente utile per esperimenti avanzati nell'accelerazione delle particelle e nelle terapie mediche.

#Panoramica Tecnologica

La versione attuale di CLARA può produrre fasci di elettroni a un'energia massima di 250 MeV. Con l'installazione di nuovi componenti, i ricercatori avranno accesso a fasci di elettroni più potenti per esperimenti. L'impostazione esistente include:

• Un fotoiniettore che genera gruppi di elettroni.
• Vari moduli di accelerazione che aumentano l'energia di questi fasci di elettroni.

In futuro, i ricercatori pianificano di aggiornare il fotoiniettore a un nuovo sistema che può lavorare a un tasso di ripetizione più elevato, consentendo esperimenti più frequenti.

#Camere di Esperimento

Il layout di FEBE prevede due grandi camere di esperimento, denominate FEC1 e FEC2. Queste camere permetteranno agli scienziati di eseguire vari esperimenti, dalle applicazioni mediche alla ricerca fondamentale in fisica.

1. FEC1: Questa camera ospiterà esperimenti che potrebbero richiedere integrazioni con laser ad alta potenza. La luce laser sarà combinata con il fascio di elettroni per set-up sperimentali unici.

2. FEC2: Questa camera potrà essere utilizzata per esperimenti di follow-up e diagnostica, catturando risultati da FEC1 o conducendo esperimenti separati.

#Importanza dei Parametri del Fascio

Per esperimenti di successo, la qualità dei fasci di elettroni è cruciale. I ricercatori richiedono parametri specifici per i fasci di elettroni, comprese:

• Alto Carico: Questo si riferisce alla quantità di carica elettrica trasportata da un gruppo di elettroni.
• Lunghezze di Gruppo Brevi: La durata di tempo per la quale il gruppo di elettroni esiste è significativa per molti esperimenti.
• Piccola Dimensione Trasversale: La dimensione del gruppo di elettroni nelle direzioni perpendicolari al suo movimento deve essere ridotta per migliorare l'interazione con i target, come laser o rivelatori di particelle.

Assicurando che questi parametri siano rispettati, FEBE sosterrà una vasta gamma di esperimenti e applicazioni.

#Tipi di Esperimenti e i Loro Requisiti

FEBE mira a supportare diversi tipi di esperimenti, che aiuteranno ad avanzare la conoscenza e la tecnologia in vari campi.

#Tecniche di Accelerazione Innovative

Un'area specifica di interesse è la ricerca in nuove forme di accelerazione delle particelle. Questo include:

1. Accelerazione al Plasma: I ricercatori vogliono capire come usare il plasma per accelerare gli elettroni. I gruppi di elettroni possono sia guidare il plasma che essere ulteriormente accelerati da laser.
2. Accelerazione da Wakefield Strutturato: Questo comporta l'uso di strutture appositamente progettate che interagiscono con i gruppi di elettroni per aumentare la loro energia.

Per questi esperimenti, la capacità di creare fasci con alta energia e proprietà specifiche è fondamentale.

#Applicazioni Mediche

Un'altra area di focus importante è l'applicazione di fasci di elettroni in terapie mediche. L'obiettivo è esplorare come gli elettroni ad alta energia possono essere utilizzati per trattare malattie come il cancro attraverso tecniche come la terapia a Very High Electron Energy (VHEE). Questo richiede la capacità di eseguire irradiazioni precise dei target.

#Generazione di Radiazione ed Esperimenti con Fasci di Particelle

FEBE faciliterà esperimenti che coinvolgono la generazione di radiazioni e la manipolazione di fasci di particelle. La flessibilità delle camere sperimentali permetterà ai ricercatori di testare varie configurazioni e allestimenti.

#Dinamica del Fascio e Simulazione

Prima che la nuova linea di fascio sia completamente operativa, saranno condotte ampie simulazioni e test per garantire che i parametri di fascio previsti siano raggiunti.

#Simulazioni Start-to-End

Le simulazioni seguiranno il comportamento del fascio di elettroni dall'inizio del suo percorso attraverso il fotoiniettore fino al punto in cui esce dalla linea di fascio FEBE. Queste simulazioni sono cruciali per:

• Verificare che i parametri del fascio soddisfino le specifiche richieste.
• Ottimizzare le impostazioni per le diverse configurazioni necessarie per vari esperimenti.

Utilizzando software di tracciamento delle particelle, il team analizzerà come i gruppi di elettroni si comportano in diverse condizioni. Ciò include l'analisi di aspetti come effetti di carica spaziale, che possono distorcere il fascio.

#Sistemi di Diagnostica e Monitoraggio

Per supportare i vari esperimenti, la linea di fascio FEBE includerà sistemi diagnostici avanzati. Questi sistemi aiuteranno a monitorare e verificare le proprietà dei fasci di elettroni.

#Componenti Diagnostici Chiave

1. Monitor di Posizione del Fascio: Questi dispositivi assicurano che il fascio di elettroni sia correttamente allineato all'interno dell'allestimento sperimentale.

2. Spettrometri di Energia: Misurano l'energia dei gruppi di elettroni, consentendo ai ricercatori di garantire che operino ai giusti livelli di energia.

3. Sistemi di Misura di Emittanza: Questi sistemi valuteranno la qualità dei gruppi di elettroni. Fasci di alta qualità sono cruciali per molti esperimenti e applicazioni.

4. Sistemi di Misura del Carico: La misurazione accurata del carico del gruppo di elettroni è necessaria per vari allestimenti sperimentali, specialmente in quelli che richiedono carichi bassi.

#Diagnostica Non Invasiva

Il sistema di diagnostica è progettato per ridurre al minimo le interruzioni al fascio di elettroni durante le misurazioni. Le diagnosi non invasive permetteranno ai ricercatori di analizzare le proprietà del fascio senza influenzare gli esperimenti in corso.

#Sistema Laser e il Suo Ruolo

La linea di fascio FEBE incorporerà anche un sistema laser ad alta potenza. Questo laser permetterà ai ricercatori di condurre esperimenti che richiedono sia un fascio di elettroni che luce laser che interagiscono simultaneamente.

#Specifiche del Laser

Il sistema laser pianificato produrrà impulsi con una potenza di picco di 100 TW e una durata di impulso di circa 25 femtosecondi. Tali specifiche rendono il laser ideale per applicazioni nell'accelerazione al plasma e in altri esperimenti innovativi.

#Trasporto del Laser

Per portare la luce laser nelle camere di esperimento, sarà implementato un sistema di trasporto progettato con cura. Questo sistema manterrà l'integrità del fascio laser e garantirà una consegna efficiente ai punti di interazione con il fascio di elettroni.

#Sincronizzazione e Tempistica

Per garantire interazioni di successo tra il fascio di elettroni e il laser, una tempistica e sincronizzazione precise sono fondamentali. Il design della linea di fascio FEBE include un sistema di tempistica ben coordinato che garantisce che sia il laser che i gruppi di elettroni arrivino ai punti di interazione nei tempi corretti.

1. Orologio Ottico: Un orologio ottico stabile servirà come riferimento per la tempistica, consentendo una sincronizzazione ad alta precisione.

2. Sistemi di Sincronizzazione: Vari sottosistemi lavoreranno insieme per assicurare che il laser e i fasci di elettroni operino in armonia.

#Gestione del Vuoto

Mantenere un ambiente a vuoto è cruciale per il corretto funzionamento della linea di fascio FEBE. Il design include sistemi per gestire le condizioni di vuoto, consentendo al contempo flessibilità nel testare diversi gas quando necessario.

1. Restrizioni di Apertura: Queste aiuteranno a controllare il flusso di gas, assicurando un ambiente pulito per il fascio di elettroni.

2. Monitoraggio e Regolazione: Un monitoraggio continuo delle condizioni di vuoto permetterà rapidi aggiustamenti per mantenere prestazioni ottimali.

#Conclusione

La costruzione della linea di fascio Full Energy Beam Exploitation (FEBE) rappresenta un passo significativo verso l'avanzamento delle capacità di ricerca presso la struttura CLARA. Offrendo accesso a fasci di elettroni da 250 MeV e mantenendo un ambiente sperimentale flessibile, FEBE permetterà ai ricercatori di esplorare nuove tecnologie e applicazioni nel trattamento medico, nell'accelerazione delle particelle e nella ricerca fondamentale in fisica.

Con il progresso dell'installazione e della messa in servizio di FEBE, la comunità scientifica attende con impazienza le opportunità uniche che questa nuova linea di fascio presenterà. Una chiamata aperta per gli utenti è prevista una volta completata la fase di messa in servizio, aprendo la strada a esperimenti innovativi e scoperte rivoluzionarie negli anni a venire.