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LASER/ Lo slalom degli elettroni nel supermicroscopio a raggi X

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Chi si aggira nel territorio dell’Università di Roma a Tor Vergata sentirà parlare di un progetto in fase di realizzazione riguardante un modello innovativo di laser, che promette di ampliare notevolmente i campi di applicazione di questo straordinario strumento, del quale si stanno celebrando con una serie di manifestazioni i 50 anni dell’invenzione. La nuova macchina si chiama SPARX: sarà lunga un chilometro e fa parte della famiglia di apparecchiature denominate FEL (acrostico del termine inglese Free Electron Laser ovvero laser ad elettroni liberi); una volta messo in funzione, porterà la maggior parte delle applicazioni attuali a nuovi livelli d’eccellenza e verso nuove direzioni in molteplici discipline.

 

Ma che cos’è un FEL? Ne abbiamo parlato con Giuseppe Dattoli, del Centro Ricerche Enea di Frascati, che ha seguito queste ricerche fin dagli inizi. «I FEL possono essere considerati a tutti gli effetti laser nel senso stretto del termine, sebbene il meccanismo di operazione sia affatto diverso da quello delle sorgenti convenzionali. Essi non utilizzano infatti il processo di emissione stimolata da parte di un sistema atomico o molecolare, in cui sia stata realizzata una inversione di popolazione, ma il processo di emissione stimolata da parte di un fascio di elettroni relativistici, che attraversa un magnete di tipo ondulatore».

 

Un magnete ondulatore è un dispositivo (magnetico) in cui gli elettroni vengono forzati a eseguire una traiettoria ondulata, simile a quella di uno sciatore durante una gara di slalom. Durante tale moto gli elettroni interagiscono con il campo del magnete e perdono energia, sotto forma di radiazione elettromagnetica, come accade nelle sorgenti della cosiddetta luce di sincrotrone. La radiazione emessa ha comunque due caratteristiche molto peculiari: la sua lunghezza d’onda è inversamente proporzionale al quadrato dell’energia degli elettroni; la sua monocromaticità è inversamente proporzionale al numero di oscillazioni eseguite dagli elettroni all’interno del magnete.

 

«Tali caratteristiche rendono il processo di emissione molto appetibile per la realizzazione di un laser. In tale caso il mezzo attivo dei laser convenzionali viene sostituito dal fascio di elettroni in moto nel magnete e l’energia di pompa è proprio l’energia cinetica degli elettroni. Il FEL è dunque un dispositivo che trasforma l’energia di un fascio di elettroni in radiazione elettromagnetica coerente». Allo stesso modo dei sistemi convenzionali il FEL può operare come oscillatore o come amplificatore. Nel primo caso la radiazione emessa dagli elettroni viene intrappolata in una cavità ottica, qui viene riflessa dagli specchi e interagisce con pacchetti di elettroni iniettati in cavità con una distanza temporale approssimativamente uguale al periodo di andata e ritorno della radiazione in cavità.

 

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