PLASMA
Plasma Physics Group, Department of Physics, University of Milano
Research » Beam Cooling
Beam Cooling
Esperimento INFN attuale: V-ION2NEUTRAL
Esperimento INFN precedente: V-PLASMA4BEAM
Introduzione
Uno dei temi di ricerca principali, sia a livello fondamentale che strumentale, nell'ambito della fisica dei fasci o in generale di ensemble di particelle cariche è la manipolazione e il controllo della caratteristiche di coerenza del fascio stesso (energia, monocromaticità, emittanza). A tal riguardo giocano un ruolo fondamentale gli effetti di carica spaziale. Questi possono influenzare negativamente in maniera significativa le performance di coerenza ed efficienza di sorgenti, acceleratori, linee di fascio. Questi effetti sono particolarmente evidenti a basse energie (< 100 keV). Sotto opportune condizioni dei parametri degli esperimenti, vari risultati sono tuttavia scalabili anche ad energie più elevate [Dav01], di interesse ad esempio per i fotoiniettori utilizzati in applicazioni quali FEL o accelerazione laser-plasma. Ulteriore interessi per ensemble di particelle cariche a bassa energia si trovano in applicazioni quali confinamento e manipolazione (raffreddamento, eccitazione) di specie esotiche o antimateria (ad esempio esperimenti ISOLTRAP, ALPHA, AEGIS @CERN).
Allo studio di fenomeni di carica spaziale e alla caratterizzazione di plasmi di elettroni intrappolati e fasci di elettroni sono stati dedicati diversi esperimenti condotti sulla macchina di Malmberg-Penning ELTRAP, progettata dal gruppo di ricerca presso la Sezione di Milano ed in funzione al Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Milano dal 2001 [Fig. 1]. I primi esperimenti hanno riguardato la dinamica di plasmi di elettroni intrappolati e di fasci di energie inferiori ai 100 eV prodotti per termo-emissione (esperimento V-ELETRASP). Mediante sensibili modifiche apportate nel tempo alla struttura ed al sistema diagnostico dell'apparato, il range di fenomeni è stato ampliato a coprire energie fino a 20 keV, con fasci prodotti per fotoemissione impulsata (da laser UV). L'attività si è svolta nel contesto degli esperimenti V-ELTEST e V-ELEBEAM, e ha anche ricevuto finanziamenti ministeriali attraverso bandi PRIN2007 e PRIN2009.
Come dimostrato da questi esperimenti, la macchina ELTRAP risulta essere un apparato estremamente versatile, particolarmente adatta allo studio dei fenomeni di carica spaziale in fasci continui e impulsati e nei processi di manipolazione (intrappolamento) di elettroni e ioni. L'apparato è unico nel suo genere in Italia, e adotta soluzioni tecniche e persegue obiettivi scientifici di natura alternativa e complementare rispetto a macchine di simile concezione operanti a livello internazionale (UCSD, UCB, CERN).
La macchina è caratterizzata da una serie di elettrodi cilindrici (due settorati longitudinalmente) [Fig. 2], che possono funzionare sia per la generazione a RF [Figs. 3-4] e manipolazione attiva del plasma intrappolato o dei fasci di elettroni, con campi applicati per mezzo di wave-form generator, sia come parte di diagnostica elettrostatica di basso rumore e alta sensibilità.
L'apparato è dotato di una sorgente a fotocatodo impulsata mediante laser UV (<5 ns), con energia degli elettroni prodotti sino a 20 keV ed anche con la possibilità di emissione continua. E' inoltre disponibile un sistema di diagnostica ottica ad alta risoluzione (schermo al fosforo + CCD) e un sistema di Thomson back-scattering [Fig. 5].
Gli esperimenti passati hanno in generale riguardato: la manipolazione del fascio di elettroni (iniezione, intrappolamento, rotazione) [Bet07a, Mae11]; lo sviluppo e il controllo di instabilità [Bet06, Bet07b, Bet08a, Bet09a], di strutture coerenti e della turbolenza [Bet09b, Rom11]; la produzione di un plasma di elettroni a radio-frequenza [Par10a]; la diagnostica di plasmi e fasci con metodi ottici ed elettrostatici [Bet08b, Par09, Par10b]; l'installazione e la caratterizzazione di un sistema di Thomson back-scattering [Par12]. L'indagine sperimentale è stata supportata da indagini teoriche e simulative. Da segnalare in particolare lo studio degli stati di equilibrio in diverse configurazioni [Kot08a-d, Kot10].
Nel medesimo contesto di manipolazione e controllo di fasci di particelle cariche a bassa energia si colloca l'esperienza del gruppo di ricerca presso i Laboratori Nazionali di Legnaro. Nell'ambito dell'esperimento REGATA, sono stati condotti in particolare studi sulle tecniche di raffreddamento di fasci di ioni prodotti da sorgenti tipo ISOL (Isotope Separation On Line), volti a ridurne l'emittanza trasversa e la dispersione energetica. Infatti, nel 2020 presso i Laboratori Nazionali di Legnaro sarà operativa SPES, una facility per la produzione, il trasporto e la riaccelerazione fino a 10 MeV/nucleon di fasci esotici prodotti per mezzo della tecnica ISOL [Fig. 6].
SPES prevede l'utilizzo di un riduttore di emittanza a gas tampone RFQC (Radio Frequency Quadrupole Cooler) [Figs. 7-8] che ha lo scopo di ridurre le dimensioni trasverse e la dispersione energetica dei fasci di ioni prodotti dalla sorgente ISOL per ottimizzare il potere di risoluzione in massa dello spettrometro preposto per la separazione isotopica [Mag12a-b]. L'RFQC è lo strumento che in genere si adotta per ottenere dei fasci con le suddette caratteristiche [Moo03].
Lo studio di tale dispositivo e il suo utilizzo è diffuso in tutti i laboratori di fisica nucleare in cui si eseguono esperimenti con fasci esotici e non solo, e presenta ancora oggi comunque degli interessanti spunti di innovazione e ricerca mirati ad ottimizzarne il funzionamento. Inoltre la prospettiva di ottenere dei fasci esotici di intensità di corrente sempre maggiore (dell'ordine del µA presso SPIRAL2), fa sorgere l'esigenza di incrementare le prestazioni in termini di confinamento e raffreddamento di tali apparati [Bac06]. Anche la necessità di ridurre in maniera sostanziosa i contaminanti prodotti dalle stazioni target ISOL sempre più prestanti in termini di intensità di fasci esotici prodotti, può rappresentare un punto di ulteriore sviluppo di questo tipo di dispositivo, in quanto può essere ottimizzato in maniera da sfruttare la "naturale" funzione di separatore/filtro di massa per via dell'utilizzo della struttura quadrupolare a radiofrequenza che in genere può raggiungere risoluzioni di massa di una parte su qualche migliaio [MLLTRAP @LMU, Germany].
Infine lo studio delle tecniche di manipolazione delle particelle cariche per mezzo di dispositivi elettromagnetici come trappole di Penning e di Paul consente di acquisire tutte quelle conoscenze che permettono di sviluppare i dispositivi di misurazione fine di masse nucleari e in genere di spettroscopia nucleare. Lo scopo è quello di considerare la possibilità di accedere ai finanziamenti europei attraverso il programma HORIZON2020 per la realizzazione di una stazione di sperimentazione nell'ambito della fisica nucleare utilizzando fasci di ioni esotici a bassa energia prodotti dalla facility SPES sul modello dei progetti DESIR e TITAN.
Gli sviluppi più recenti sono riportati nei Rif. [Mag14, Cav16, Cav18].
Riferimenti
[Dav01] R. C. Davidson and H. Qin, "Physics of intense charged particle beams in high energy accelerators" (World Scientific, 2001).
[Bet07a] G. Bettega, F. Cavaliere, M. Cavenago, A. Illiberi, R. Pozzoli and M. Romé, "Experimental and numerical analysis of the electron injection in a Malmberg-Penning trap", Phys. Plasmas 14, 042104 (2007). [permalink]
[Mae11] G. Maero, B. Paroli, R. Pozzoli, and M. Romé, "Stabilizing Effect of a Non-resonant Radio Frequency Drive on the m = 1 Diocotron Instability", Phys. Plasmas 18, 032101 (2011). [permalink]
[Bet06] G. Bettega, F. Cavaliere, M. Cavenago, F. De Luca, A. Illiberi, R. Pozzoli, and M. Romé, "Active control of the ion resonance instability by ion removing fields", Phys. Plasmas 13, 112102 (2006). [permalink]
[Bet07b] G. Bettega, F. Cavaliere, B. Paroli, M. Cavenago, R. Pozzoli and M. Romé, "Excitation of the l=2 azimuthal mode in a pure electron plasma", Phys. Plasmas 14, 102103 (2007). [permalink]
[Bet08a] G. Bettega, F. Cavaliere, B. Paroli, R. Pozzoli, M. Romé and M. Cavenago, "Excitation of the l=2 diocotron mode with a resistive load", Phys. Plasmas 15, 032102 (2008). [permalink]
[Bet09a] G. Bettega, B. Paroli, R. Pozzoli, and M. Romé, "Excitation of the l=3 diocotron mode in a pure electron plasma by means of a rotating electric field", J. Appl. Phys. 105, 053303 (2009). [permalink]
[Bet09b] G. Bettega, R. Pozzoli, and M. Romé, "Multiresolution analysis of the twodimensional free decaying turbulence in a pure electron plasma", New J. Phys. 11, 053006 (2009). [permalink]
[Rom11] M. Romé and F. Lepreti, "Turbulence and coherent structures in non-neutral plasmas", Eur. Phys. J. Plus 126, 38 (2011). [permalink]
[Par10a] B. Paroli, F. De Luca, G. Maero, R. Pozzoli, and M. Romé, "Broadband Radio Frequency Plasma Generation in a Penning-Malmberg trap", Plasma Sources Sci. Technol. 19, 045013 (2010). [permalink]
[Bet08b] G. Bettega, B. Paroli, R. Pozzoli, M. Romé and C. Svelto, "Low noise techniques for electrostatic diagnostics on a pure electron plasma", Meas. Sci. Tech. 19, 085703 (2008). [permalink]
[Par09] B. Paroli, G. Bettega, F. Cavaliere, F. De Luca, G. Maero, R. Pozzoli, M. Romé, M. Cavenago, and C. Svelto, "Characterization of a pulsed electron beam with a planar charge collector", J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 175203 (2009). [permalink]
[Par10b] B. Paroli, G. Bettega, G. Maero, M. Romé, M. Norgia, A. Pesatori, and C. Svelto, "Electrostatic diagnostics of nanosecond pulsed electron beams in a Malmberg-Penning trap", Rev. Sci. Instrum. 81, 063503 (2010). [permalink]
[Par12] B. Paroli, F. Cavaliere, M. Cavenago, F. De Luca, M. Ikram, G. Maero, C. Marini, R. Pozzoli and M. Romé, "Thomson backscattering diagnostic set-up for the study of nanosecond electron bunches in high space-charge regime", J. Inst. 7, P01008 (2012). [permalink]
[Kot08a] I. Kotelnikov and M. Romé, "Equilibrium of non-neutral plasmas in a Malmberg-Penning trap with a weakly tilted magnetic field", Phys. Plasmas 15, 072118 (2008). [permalink]
[Kot08b] I. Kotelnikov and M. Romé, "Admissible equilibria of non-neutral plasmas in a Malmberg-Penning trap", Phys. Rev. Lett. 101, 085006 (2008). [permalink]
[Kot08c] I. Kotelnikov, M. Romé, and R. Pozzoli, "On the relativistic cold fluid radial equilibrium of a nonneutral plasma", Phys. Lett. A 372, 1445 (2008). [permalink]
[Kot08d] I. Kotelnikov, M. Romé, and R. Pozzoli, "Relativistic cold fluid radial equilibrium of an annular nonneutral plasma", Phys. Lett. A 372, 2450 (2008). [permalink]
[Kot10] I. Kotelnikov and M. Romé, "Relativistic thermal equilibrium of nonneutral plasmas", Phys. Lett. A 374, 4864 (2010). [permalink]
[Mag12a] M. Maggiore, A. M. Porcellato, S. Stark, F. Chiurlotto, M. Comunian, A. Dainelli, M. De Lazzari, A.Galatà, and A. Minarello, "Progress on the RFQ beam cooler design for SPES project", Proc. of HIAT 2012 (Chicago, USA, 2012). [permalink]
[Mag12b] M. Maggiore, A. M. Porcellato, and S. Strak, "Study of the RFQ beam cooler for SPES project", Proc. of IPAC 12 (New Orleans, USA, 2012). [permalink]
[Moo03] R. B. Moore and O. Gianfrancesco, "Improving isotope separator performance by beam cooling", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res B 204, 557 (2003). [permalink]
[Bac06] C. Bachelet, M. Block, G. Bollen, R. B. Moore, S. Schwarz, "Towards cooling of high-intensity ion beams", Hyperfine Interact.173, 195 (2006). [permalink]
[Mag14] M. Maggiore, M. Cavenago, M. Comunian, F. Chirulotto, A. Galatà, M. De Lazzari, A. M. Porcellato, C. Roncolato, S. Stark, A. Caruso, A. Longhitano, F. Cavaliere, G. Maero, B. Paroli, R. Pozzoli, and M. Romé, “Plasma-beam traps and radiofrequency quadrupole beam coolers”, Rev. Sci. Instrum. 85, 02B909 (2014) [permalink].
[Cav16] M. Cavenago, M. Romé, M. Maggiore, A. M. Porcellato, G. Maero, F. Chiurlotto, M. Comunian, A. Galatà, and F. Cavaliere, “Integration of RFQ beam coolers and solenoidal magnetic fields”, Rev. Sci. Instrum. 87, 02B504 (2016) [permalink]
[Cav18] M. Cavenago, L. Bellan, M. Comunian, M. Maggiore, L. Pranovi, G. Maero, N. Panzeri, and M. Romé, “A RFQ cooler development”, Proc. of IPAC2018 (2018) [link]