PRODOTTI A FRASCATI I PRIMI RAGGI X DI ALTA QUALITÀ

Prima in Italia, entra in funzione a SparcLab la sorgente Thomson di raggi X prodotti da collisioni elettroni-laser. Servirà per applicazioni biomedicali e studio dei materiali.

Realizzata con successo ai Laboratori Nazionali di Frascati la prima produzione di raggi X di alta qualità dalle collisioni tra il fascio di elettroni ad altissima brillanza dell’acceleratore Sparc e il laser ad alta intensità Flame del complesso SparcLab.

La qualità del fascio di raggi X, dotato di caratteristiche di monocromaticità e coerenza senza precedenti, consentirà lo sviluppo di un laboratorio multidisciplinare di altissimo livello, primo in Europa, capace di promuovere e sostenere esperimenti e applicazioni avanzate in diversi ambiti, dal settore medicale alla conservazione dei beni culturali e ambientali, dallo studio dei materiali in generale fino al possibile screening dei materiali per i controlli di sicurezza.

“Per la prima volta in Italia entra in funzione la seconda generazione di sorgenti Thomson/Compton”, spiega Cristina Vaccarezza, responsabile dell’esperimento Thomson a SparcLab, “capaci di produrre in un prossimo futuro, grazie all'altissima luminosità di collisione, fasci di raggi X monocromatici, di energia variabile tra 20mila e 500mila elettronvolt, ad alto flusso (alcune decine di miliardi di fotoni al secondo), polarizzati ed ultra-corti, di durata entro qualche centinaia di femto-secondi”

La sfida per raggiungere queste prestazioni, che costituiranno un record a livello internazionale, risiede nella difficoltà di focalizzare i due fasci collidenti su dimensioni simili a quelle dello spessore di un capello, cioè inferiori a un decimo di millimetro (100 micron). I pacchetti di elettroni prodotti da Sparc e gli impulsi laser prodotti da Flame collidono a una frequenza di ripetizione di 10 volte al secondo e richiedono una precisione di allineamento e un sincronismo elevatissimi (1 micron e 1 picosecondo, rispettivamente, di errore massimo), perché possa essere mantenuta nel tempo la sovrapposizione spazio-temporale dei due pacchetti nel punto di collisione. “Solo se la sovrapposizione tra i fasci è completa è possibile ottenere il massimo flusso di raggi X”, precisa Vaccarezza, “E’ un po’ come lanciare due capelli ad altissima velocità l'uno contro l'altro e garantire che la collisione avvenga esattamente testa a testa”.

“I primi test di collisione realizzati a SparcLab coronano uno sforzo notevole e pluriennale dei Laboratori di Frascati e della collaborazione nazionale che l'Infn ha finanziato per costruire e mettere in funzione la sorgente Thomson”, commenta di Massimo Ferrario, responsabile di SparcLab, “Sebbene ancora preliminari, la qualità e il flusso dei raggi X misurati fino a ora sono utili alla messa a punto della macchina in vista della completa ottimizzazione del suo funzionamento. Si conta di raggiungere gradualmente la luminosità ottimale per la collisione, tale da garantire un fascio X con caratteristiche prossime ai parametri di progetto entro la fine del 2014”.

Il primo esperimento con il fascio di raggi X monocromatico, che sarà condotto nel 2015, riguarderà un’applicazione imaging radiologico avanzato.

“Le proprietà innovative del fascio di raggi X prodotto, in particolare la sua monocromaticità e la possibilità di variarne l’energia sulla base di necessità specifiche, oltre alle dimensioni micro-metriche della sorgente di radiazione, garantiscono grandi potenzialità a queste sorgenti Thomson nel settore delle applicazioni bio-medicali”, spiega Mauro Gambaccini, reponsabile delle applicazioni biomediche di SparcLab, “In particolare, nella diagnostica mammografica e radiologica in generale con questa sorgente sarà possibile aumentare notevolmente la qualità (la risoluzione) delle immagini prodotte, garantendo al tempo stesso una riduzione del 30% della dose di radiazione assorbita dal paziente rispetto alle sorgenti attualmente utilizzate negli ospedali.”

SparcLab:

SparcLab è la test facility dei Laboratori Nazionali di Frascati dell'Infn, dedicata alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecniche di accelerazione di fasci di particelle, generazione di fasci di elettroni ultra-corti ad altissima brillanza, e sorgenti di radiazione avanzata, dal THz, al Free Electron Laser, ai raggi X.

SparcLab si compone di due sistemi avanzati: l’acceleratore Sparc ed il fascio laser di alta intensità prodotto dal laser Flame. Uno dei principali esperimenti condotti presso questa infrastruttura consiste nel produrre collisioni tra i due fasci, l’uno di elettroni e l’altro fotoni ottici, in condizioni di altissima luminosità, in modo da generare fasci di raggi X mediante il meccanismo del back-scattering Thomson/Compton.

Questo meccanismo fisico ben noto era già stato esplorato in modo pionieristico negli anni '70 sempre ai Laboratori Nazionali di Frascati con l'esperimento Ladon, che sfruttava l'acceleratore Adone, erede di Ada - il primo collisore particelle-antiparticelle al mondo - e progenitore dell’attuale acceleratore dei Laboratori di Frascati, Dafne.