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Laboratorio FEL-CATS (Compact Advanced Terahertz Source)

Referente: Dr. Emilio Giovenale
emilio.giovenale@enea.it

tel. +39 06 9400 5840


Fig. 1: Particolare dell'impianto: LINAC e PMD


L’Impianto FEL-CATS (Compact Advanced THz Source) è costituito da un Laser ad Elettroni Liberi Compatto che opera nella regione spettrale compresa tra 0.4 e 0.7 THz e utilizza un dispositivo a radiofrequenza in grado di manipolare gli elettroni nello spazio delle fasi longitudinale al fine di incrementare l’efficienza del sistema.
L'idea originale dei ricercatori ENEA risale al 1999 [1] ed è stata realizzata compiutamente nel 2004 [2], con la messa in opera del dispositivo funzionante nel centro ENEA di Frascati.
Il dispositivo utilizza come sorgente di elettroni un LINAC a radiofrequenza, dopo il quale viene utilizzata una ulteriore struttura a radiofrequenza, denominata Phase Matching Device (PMD) che serve a manipolare gli elettroni nello spazio delle fasi longitudinale, distribuendoli in modo da massimizzare l'emissione in fase dei singoli elettroni che compongono ogni bunch. Questo permette di rendere più efficiente l'estrazione di energia dal fascio di elettroni, in un singolo passaggio all'interno dell'ondulatore. In tale modo si può fare a meno della cavità risonante ed avere un dispositivo che operi a larga banda.
Il dispositivo è in grado di emettere radiazione con potenze oltre il kiloWatt nella regione spettrale tra 400 e 700 GHz (da 800 a 450 mm) su impulsi della lunghezza di circa 5 ms

Fig. 2. Visione di insieme dell'impianto.

Fig. 3: Descrizione schematica dell'impianto


La sorgente di elettroni è un LINAC a 2.998 GHz in grado di erogare una corrente di elettroni di 250 mA su impulsi lunghi da 5 a 10 microsecondi ad un'energia di 2.5 MeV [3]. Gli elettroni accelerati dal LINAC entrano nella seconda sezione RF, denominata PMD, accordata alla stessa frequenza, dove viene messa in opera la correlazione tra fase ed energia degli elettroni. La sorgente a radiofrequenza è unica per LINAC e PMD e vengono utilizzati uno splitter per alimentare entrambi i dispositivi, un attenuatore variabile ed un phase shifter per regolare la differenza di fase e l'ampiezza della RF tra LINAC e PMD, per poter manipolare il fascio di elettroni. Per poter alimentare entrambi i dispositivi è necessaria una potenza RF di 2MW. All'uscita dal sistema accelerante gli elettroni vengono trasportati e focalizzati tramite 2 coppie di dipoli ed un tripletto di quadrupoli magnetici ed iniettati in un ondulatore a magneti permanenti (NdFeB in configurazione alla Halbach) lungo 20 cm, composto da 16 periodi da 2.5 cm l'uno.
La radiazione generata viene estratta dalla camera da vuoto con un sistema di specchi ed utilizzata per misure all'interno del bunker, o trasportata tramite una light-pipe in rame verso un tavolo ottico posto in sala controllo.

Bibliografia

[1] E. Giovenale, A. Doria, G.P. Gallerano, S. Letardi, G. Messina, C. Ronsivalle, A. Vignati: "Longitudinal phase-space manipulation: a device to enhance the coherent emission from an RF-modulated electron beam" - Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect.A 437 (1999) 128-133
[2] A. Doria, G. P. Gallerano, E. Giovenale, G. Messina, and I. Spassovsky: "Enhanced Coherent Emission of Terahertz Radiation by Energy-Phase Correlation in a Bunched Electron Beam" - Phys. Rev. Lett. 93, 264801 (2004)
[3] A. Doria, V.B. Asgekar, D. Esposito, G.P. Gallerano, E. Giovenale, G. Messina, C. Ronsivalle: "Long wavelength compact-FEL with controlled energy–phase correlation" - Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 475, 296 (2001).


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Altri documenti


References:

  • W. B. Colson: "Free Electron Lasers": Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 1985. 35:25-54
  • G.P. Gallerano, A. Doria, E. Giovenale, A. Renieri: "Compact free electron lasers:From Cerenkov to waveguide free electron lasers" - Infrared Physics & Technology 40 1999. 161–174
  • G. Dattoli, A. Torre, A. Doria, G. Schettini: The Free Electron Laser: A Brief Analysis of Theory and Experiment - ENEA Internal Report
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