Indietro

ⓘ Laser a elettroni liberi




Laser a elettroni liberi
                                     

ⓘ Laser a elettroni liberi

Il laser ad elettroni liberi, dallinglese Free Electron Laser è un tipo di laser di quarta generazione.

Il primo dispositivo di questo genere è stato realizzato presso lUniversità di Stanford nel 1977 come risultato del lavoro di J. M. J. Madey e collaboratori, ed emetteva radiazione infrarossa alla lunghezza donda λ = 3.417 µm.

                                     

1.1. Descrizione Lunghezza donda di emissione

La lunghezza donda della radiazione emessa da un laser ad elettroni liberi può essere espressa dallequazione:

.

                                     

1.2. Descrizione Emissione Stimolata di Sincrotrone

La trattazione precedente si applica a qualunque fascio di elettroni che si propaghi allinterno di un ondulatore. In questo processo è presente solo il campo magnetico dellondulatore che nel sistema di riferimento in moto con lelettrone può essere visto come un campo elettromagnetico che incide sullelettrone stesso. Per ottenere guadagno, analogamente a quanto accade con un laser convenzionale, è necessario considerare linterazione con un altro campo: la radiazione elettromagnetica prodotta dallelettrone che si propaga nellondulatore. In condizioni opportune tale campo può sottrarre energia allelettrone, producendo un fenomeno di amplificazione.

Gli elettroni che si propagano in direzione z allinterno dellondulatore, oscillano nel piano trasverso xz con periodo pari al periodo spaziale dellondulatore λ u. Per ottenere scambio di energia tra elettroni oscillanti e campo elettromagnetico è necessaria la sincronia tra le oscillazioni trasverse degli elettroni le oscillazioni del campo elettrico dellonda che si propaga.

Perché questo avvenga lelettrone, dopo un "periodo di ondulatore", deve trovare il campo elettrico con la stessa fase. Dato che la velocità degli elettroni considerati è minore di c, questo avviene nel caso in cui mentre lelettrone copre un periodo dellondulatore, la luce copre un periodo più una lunghezza donda. Questo si traduce nelle equazioni:

t e = λ u v z = t l = λ u + λ v f {\displaystyle t_{e}={\frac {\lambda _{u}}{v_{z}}}=t_{l}={\frac {\lambda _{u}+\lambda }{v_{f}}}} dove v f è la velocità di fase dellonda EM: v f = ω/k Definendo k u = 2π/λ u si ottiene:

v f λ u = v z λ u + λ ⇒ v f k u = v z 1 k u + 1 k = v z k + k u k u ⇒ v f k = v z k + k u {\displaystyle v_{f}\lambda _{u}=v_{z}\lambda _{u}+\lambda\Rightarrow {\frac {v_{f}}{k_{u}}}=v_{z}\left{\frac {1}{k_{u}}}+{\frac {1}{k}}\right=v_{z}\left{\frac {k+k_{u}}{kk_{u}}}\right\Rightarrow v_{f}k=v_{z}k+k_{u}}

Imponendo v f = ω/k e v z = βc si ottiene:

ω c = β z k + k u {\displaystyle {\frac {\omega }{c}}=\beta _{z}k+k_{u}}

Questa è la cosiddetta equazione della "beam line", che descrive i punti del piano k, ω/c dove la condizione di sincronismo può essere soddisfatta. Se ora consideriamo la relazione di dispersione della struttura ove linterazione ha luogo ω/c = fω, lintersezione tra la relazione di dispersione e la beam line ci fornisce le frequenze di emissione.

La soluzione analitica si ottiene risolvendo il sistema lineare:

{ ω c = k ω c = β z k + k u ⇒ k 1 − β z = k u β z {\displaystyle \left\1+K^{2}}

                                     

2.1. FEL in Italia Operativi

  • FERMI Elettra FEL2 - in commissioning E = 1.7 GeV; λ = 20 - 3 nm ; repetition rate: 10 – 50 Hz - Evoluzione del FEL1, sfrutta un nuovo metodo di seeding.
  • ENEA FEL-CATS - First lasing 2002 - ω= 0.4 - 0.8 THz - P > 1.5 kW - Primo FEL pilotato da LINAC in italia - Primo FEL a singolo passaggio operante in Italia.
  • ENEA Compact FEL - First lasing: 1991 - ω = 120–160 GHz - P > 1.5 kW - Primo FEL compatto al mondo.
  • ENEA Cherenkov FEL - First lasing 1989.
  • FERMI Elettra FEL1 - E = 1.2 GeV; λ = 20 - 65 nm prima armonica ; repetition rate: 10 Hz - Lunico FEL a raggi X al mondo ad operare in seeding mode, sfruttando un laser ottico in risonanza con la frequenza della macchina.
  • UV/VUV storage ring FEL at ELETTRA - First Lasing 2001 - ω = 330-190 nm - P = 20 mW - Record per piccole lunghezze donda.
  • SPARC - Parametri di progetto: E = 150 MeV; λ < 530 nm - generazione di armoniche fino allUV - Emissione in regime SASE e con seeding da armoniche generate da laser in gas.


                                     

3. FEL a raggi X nel mondo

Operativi

  • FLASH Free-electron LASer in Hamburg - Amburgo, Germania.
  • LCLS Linac Coherent Light Source - Stanford, California.
  • SACLA - Sayo, Giappone.

In costruzione

  • SwissFEL - Cantone di Argovia, Svizzera previsto nel 2016.
  • PAL XFEL - Pohang, Korea previsto nel 2015.
  • LCLS II - evoluzione di LCLS previsto attorno al 2020.
  • FLASH II - evoluzione di FLASH previsto nel 2016.
  • European XFEL - Amburgo, Germania previsto nel 2016.
                                     
  • Smith - Purcell, scoperto nel 1953, che ha trovato poi applicazione nei laser ad elettroni liberi Dal 1960 in poi ha dato anche contributi nel campo dell astrofisica
  • misura l unità di carica è il Coulomb che corrisponde a circa 6, 24  1018 elettroni Un elettrone possiede una carica il cui valore, inizialmente determinato
  • tecniche: l espulsione di elettroni la protonazione, la deprotonazione, la cationizzazione. Con l espulsione di elettroni si genera uno ione - radicale
  • tipo si ottengono laser a elettroni liberi In questo modo i forti campi magnetici, perpendicolari al fascio, convertono gli elettroni ad alta energia in
  • ed elettroni Se si sposta leggermente un elettrone o un gruppo di elettroni rispetto agli ioni, la forza di Coulomb tira indietro gli elettroni agendo
  • ambito fisico, chimico, ingegneristico, medico e farmacologico del Laser a elettroni liberi SPARC realizzato nei Laboratori Nazionali di Frascati dell INFN
  • moto del singolo elettrone al circuito LC. Così l energia nel circuito LC in risonanza con lo ione lentamente oscilla tra i molti elettroni 10000 nel gate
  • vengono a contatto con gli elettroni con carica negativa. Quando i fotoni singoli pacchetti di energia luminosa entrano in contatto con gli elettroni di

Anche gli utenti hanno cercato:

...
...
...