Acceleratore Sparc e il laser ad alta intensità Flame del complesso SparcLab
“Per la prima volta in Italia entra in funzione la seconda generazione di sorgenti Thomson/Compton capaci di produrre in un prossimo futuro, grazie all’altissima luminosità di collisione, fasci di raggi X monocromatici, di energia variabile tra 20mila e 500mila elettronvolt, ad alto flusso (alcune decine di miliardi di fotoni al secondo), polarizzati ed ultra-corti, di durata entro qualche centinaia di femto-secondi”, ha spiegato Cristina Vaccarezza, responsabile dell’esperimento Thomson a SparcLab. È stata realizzata con successo, infatti, ai Laboratori Nazionali dell’INFN di Frascati la prima produzione di raggi X di alta qualità dalle collisioni tra il fascio di elettroni ad altissima brillanza dell‘acceleratore Sparc e il laser ad alta intensità Flame del complesso SparcLab.
La qualità del fascio di raggi X, dotato di caratteristiche di monocromaticità e coerenza senza precedenti, consentirà lo sviluppo di un laboratorio multidisciplinare di altissimo livello, primo in Europa, capace di promuovere e sostenere esperimenti e applicazioni avanzate in diversi ambiti. I settori di interesse sono molto vari: da quello medicale alla conservazione dei beni culturali e ambientali, dallo studio dei materiali in generale fino al possibile screening dei materiali per i controlli di sicurezza.
Il primo esperimento con il fascio di raggi X monocromatico, che sarà condotto nel 2015, riguarderà un’applicazione imaging radiologico avanzato. “Le proprietà innovative del fascio di raggi X prodotto, in particolare la sua monocromaticità e la possibilità di variarne l’energia sulla base di necessità specifiche, oltre alle dimensioni micro-metriche della sorgente di radiazione, garantiscono grandi potenzialità a queste sorgenti Thomson nel settore delle applicazioni bio-medicali”, ha spiegato Mauro Gambaccini, reponsabile delle applicazioni biomediche di SparcLab. “In particolare, nella diagnostica mammografica e radiologica in generale con questa sorgente sara’ possibile aumentare notevolmente la qualita’ (la risoluzione) delle immagini prodotte, garantendo al tempo stesso una riduzione del 30 per cento della dose di radiazione assorbita dal paziente rispetto alle sorgenti attualmente utilizzate negli ospedali”, ha concluso.
In cosa consiste l’esperimento? La sfida per raggiungere queste prestazioni risiede nella difficoltà di focalizzare i due fasci collidenti su dimensioni simili a quelle dello spessore di un capello, cioè inferiori a un decimo di millimetro (100 micron). I pacchetti di elettroni prodotti da Sparc e gli impulsi laser prodotti da Flame collidono a una frequenza di ripetizione di 10 volte al secondo e richiedono una precisione di allineamento e un sincronismo elevatissimi (1 micron e 1 picosecondo, rispettivamente, di errore massimo), perché possa essere mantenuta nel tempo la sovrapposizione spazio-temporale dei due pacchetti nel punto di collisione.
“Solo se la sovrapposizione tra i fasci è completa è possibile ottenere il massimo flusso di raggi X”, ha precisato Vaccarezza. “È un po’ come lanciare due capelli ad altissima velocità l’uno contro l’altro e garantire che la collisione avvenga esattamente testa a testa”, ha aggiunto. “I primi test di collisione realizzati a SparcLab coronano uno sforzo notevole e pluriennale dei Laboratori di Frascati e della collaborazione nazionale che l’INFN ha finanziato per costruire e mettere in funzione la sorgente Thomson”, ha commentato di Massimo Ferrario, responsabile di SparcLab. “Sebbene ancora preliminari, la qualità e il flusso dei raggi X misurati fino a ora – ha continuato – sono utili alla messa a punto della macchina in vista della completa ottimizzazione del suo funzionamento. Si conta di raggiungere gradualmente la luminosità ottimale per la collisione, tale da garantire un fascio X con caratteristiche prossime ai parametri di progetto entro la fine del 2014”.