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Laboratorio FEL Compatto

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

tel. +39 06 9400 5840


Fig. 1: Microtrone da 5 MeV


Presso il centro ENEA di Frascati opera dal 1991 un laser ad elettroni liberi compatto che emette nella regione spettrale del THz [1,2].
Questo dispositivo è stato il primo FEL classico ad operare il Italia ed il primo FEL "compatto" al mondo.
La sorgente di elettroni è composta da un piccolo microtrone con energia variabile da 2.3 a 5 MeV, alimentato da una sorgente a radiofrequenza composta da un magnetron a 3 GHz con 2 MW di potenza. Il dispositivo risulta particolarmente compatto anche in virtù delle soluzioni tecniche adottate, quali un ondulatore magnetico da soli 8 periodi, lungo quindi solo 20 cm, ed una cavità risonante realizzata con specchi trasparenti agli elettroni, che permette di evitare sistemi di deflessione magnetica per l'iniezione in cavità del fascio di elettroni.
La macchina è inoltre stata costruita avendo come obiettivo la massima flessibilità sperimentale. E' infatti possibile allocare nella camera da vuoto differenti strutture di interazione FEL, quali ondulatori magnetici, strutture con film dielettrico per FEL Cherenkov [3] e grating metallici per FEL basati sull'effetto Smith-Purcell [4]. Tutte queste strutture sono state utilizzate negli anni, permettendo di acquisire competenze diversificate nel settore del FEL a grandi lunghezze d'onda.


Fig. 2. Visione di insieme del FEL compatto.

Fig. 3: Camera da vuoto e ondulatore magnetico. Sono visibili i monitor di fascio la guida d'onda ed il sistema di rinvio della radiazione FEL.


Nella sua configurazione standard con ondulatore magnetico il FEL Compatto permette di ottenere impulsi di radiazione tra 2.1 e 3.6 mm di lunghezza d'onda (90-150 GHz) con potenze di picco elevate (1.5 kW su 4 ms o 10 kW su 50 ps) e potenze medie piccole, in virtù del duty cycle della macchina (max 10 Hz).
Questa è una situazione ideale quando si vogliono distinguere gli effetti di campo elettrico dagli effetti puramente termici, e questa caratteristica è stata ampiamente utilizzate per esperimenti in campo biologico e nel campo della analisi e conservazione dei beni culturali.
Sono queste infatti situazioni sperimentali in cui è necessario evitare il riscaldamento del campione in esame per tutelarne l'integrità e la funzionalità.

Dato che il fascio di elettroni accelerati produce radiazione ionizzante, il FEL opera in un bunker con tutti i requisiti di radioprotezione previsti dalla normativa ed il sistema viene controllato in remoto da una sala controllo. Per potere utilizzare la radiazione FEL è possibile utilizzare un sistema di specchi ed una light pipe, che guida la luce fino all'area sperimentale allestita in sala controllo, con sistemi di rivelazione a temperatura ambiente e a bassa temperatura, spettrometri e sistemi di imaging.

Applicazioni del FEL THz

Fig. 4: Sistema di Imaging THz

Negli anni sono state messe a punto diverse applicazioni della radiazione FEL in diversi campi: dalla fisica dei materiali alla biologia, alle applicazioni in campo agroalimentare.
Il dispositivo è stato usato nell'ambito del progetto THz-BRIDGE, per lo studio di possibili effetti biologici della radiazione THz [5].
Le applicazioni più recenti includono l'utilizzo nel campo della tutela del patrimonio culturale, tramite un sistema di imaging THz [6,7] e con metodi di determinazione delle proprietà ottiche di campioni nella regione del THz. L'uso della radiazione THz si è dimostrato assai efficace nel rilevamento di dipinti nascosti sotto strati di gesso o calce [8].

Fig. 5. Il dipinto a Tempera in a) è stato prazialmente ricoperto con gesso di volterra, quindi è stata effettuata una scansione 2D di un dettaglio del dipinto. L'immagine THz risultante è visibile in c)



Bibliografia

[1] F. Ciocci, R. Bartolini, A. Doria, G.P. Gallerano, E. Giovenale, M.F. Kimmitt, G. Messina and A. Renieri : "First operation of a compact FEL in the millimeter wave region" - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 331 (1993) ABS 11-ABS 13
[2] F. Ciocci, R. Bartolini, A. Doria, G.P. Gallerano, E. Giovenale, M.F. Kimmitt, G. Messina and A. Renieri : "Operation of a Compact Free-Electron Laser in the Millimeter-Wave Region with a Bunched Electron Beam" - Phys. Rev. Lett 70, 7 (1993) 928-932
[3] F. Ciocci, A. Doria, G.P. Gallerano, I. Giabbai, M.F. Kimmitt, G. Messina and A. Renieri: "Observation of Coherent Millimeter and Submillimeter Emission from a Microtron-Driven Cherenkov Free-Electron Laser" - Phys. Rev. Lett 66. 6 (1991) 699-701
[4] A. Doria, G.P. Gallerano, E. Giovenale, G. Messina, V.B. Asgekar, G. Doucas, M.F. Kimmitt, J.H. Brownell, J.E. Walsh: "A metal-grating FEL experiment at the ENEA compact-FEL facility" - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 475 (2001) 318–322
[5] A. Doria, G.P. Gallerano, E. Giovenale, G. Messina, A. Lai, A. Ramundo-Orlando, V. Sposato, M. D’Arienzo, A. Perrotta, M. Romanò, M. Sarti, M.R. Scarfì, I. Spassovsky, O. Zeni: "THz radiation studies on biological systems at the ENEA FEL facility" - Infrared Physics & Technology 45 (2004) 339–347
[6] Doria, G.P. Gallerano, M. Germini, E. Giovenale, A. Lai, G. Messina, I. Spassovsky, F. Valente, L. D'Aquino: "Reflective Terahertz Imaging at the ENEA FEL Facility" - THz Technology, Ultrafast Measurements, and Imaging - 2005 Joint 30th Intl. Conf. on Infrared and Millimeter Waves & 13th Intl. Conf. on Terahertz Electronics TBl-7 255-256
[7] Gian Piero Gallerano. Andrea Doria, Marzia Germini, Emilio Giovenale, Giovanni Messina, Ivan P. Spassovsky: "Phase-Sensitive Reflective Imaging Device in the mm-wave and Terahertz Regions" - J Infrared Milli Terahz Waves (2009) 30:1351–1361
[8] G.P. Gallerano, A. Doria, E. Giovenale, , G. Messina, A. Petralia, I. Spassovsky, K. Fukunaga, I. Hosako: "THz-ARTE: non-invasive terahertz diagnostics for art conservation" - IEEE IRMMW-THz 2008 Conference Proceedings


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Progetti

Rapporto di Attività

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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