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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

XFEL 2017Lo European XFEL, il futuro supermicroscopio europeo a elettroni liberi, ha concluso con successo una delle ultime fasi della sua costruzione: il primo fascio di elettroni è stato accelerato lungo l’intera lunghezza della macchina, 2,1 km. È così il primo acceleratore lineare superconduttivo al mondo di queste dimensioni a entrare in funzione, e l'energia e le altre caratteristiche del fascio di elettroni sono già compatibili con i valori che dovranno assumere durante la prima fase di funzionamento. La collaborazione scientifica impegnata in XFEL, guidata da DESY (Deutsches Elektronen-SYnchrotron) e di cui l’Italia con l’INFN è uno dei principali partner internazionali, ha così completato il commissioning, cioè la messa in servizio, dell’acceleratore di particelle. L’acceleratore alimenterà il laser a raggi X ed è quindi la componente-chiave dell’impianto, lungo complessivamente 3,4 km, di quello che sarà il supermicroscopio a elettroni liberi. La messa in servizio con successo dell’acceleratore è perciò un passo fondamentale per l’inizio delle attività scientifiche, previsto per il prossimo autunno: allora, nei laboratori dello European XFEL ad Amburgo, in Germania, sarà possibile fotografare e filmare, con risoluzione atomica, i processi biologici, chimici e della materia sia condensata, che nello stato eccitato di plasma. Lo European XFEL è, infatti, un progetto per la realizzazione di una sorgente di radiazione di sincrotrone di quarta generazione, basata sul processo FEL (Free Electron Laser, laser a elettroni liberi).
“La realizzazione e la messa in funzione dell’acceleratore dello European XFEL è un importante traguardo per la ricerca europea e internazionale, e l’INFN ne è particolarmente orgoglioso per il sostanziale contributo dato con il prezioso sostengo dell’industria nazionale”, commenta Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. L’INFN ha contribuito in modo essenziale alla realizzazione dell’acceleratore, sviluppando al laboratorio LASA di Milano guidato da Carlo Pagani alcuni degli elementi chiave: tra questi la sorgente fotoemissiva di elettroni ultra freddi e intensi, i moduli superconduttivi di accelerazione e il sistema di terza armonica per la linearizzazione del fascio. “Grazie a questo – sottolinea Ferroni – il contributo italiano, di circa 40 milioni di euro -pari a poco meno del 3% del costo complessivo del progetto-, finanziato dal MIUR e mediato dall’INFN, ha portato un ritorno quasi doppio in commesse di alta tecnologia per l’industria nazionale. Inoltre, il 10% dei ricercatori e dei tecnici assunti dalla società European XFEL sono italiani”, conclude Ferroni.
Le prestazioni della nuova macchina saranno altissime: produrrà fino a 27.000 impulsi laser a raggi X al secondo, così brevi e intensi da consentire ai ricercatori di ottenere immagini delle strutture atomiche e dei processi chimici e fisici che si sviluppano a queste dimensioni. La tecnologia superconduttiva dell’acceleratore, sviluppata dalla collaborazione internazionale TESLA, guidata dal laboratorio DESY, permette di ottenere valori estremamente elevati, unici, di ripetizione degli impulsi di raggi X. In un acceleratore di particelle superconduttivo le strutture acceleranti non presentano alcuna resistenza all’attraversamento della corrente elettrica che le alimentano ma, per raggiungere queste caratteristiche, devono essere raffreddate a temperature estremamente basse. Tra dicembre e gennaio scorso, l'acceleratore è stato raffreddato alla temperatura di funzionamento di -271 °C. Successivamente è stata messa in esercizio la prima sezione dell’acceleratore, il cosiddetto “iniettore di elettroni”, che comprende complessivamente 18 dei 98 moduli totali dell'acceleratore. All'interno di questa sezione, i pacchetti di elettroni sono accelerati e compressi fino a raggiungere una dimensione di 10 micrometri (un millesimo di millimetro). Infine, dopo l’installazione e messa in funzione della terza sezione dell'acceleratore, gli elettroni hanno potuto raggiungere l’energia di 12 GeV (gigaelectronvolts, miliardi di eV). A regime, è previsto che l’energia degli elettroni potrà raggiungere fino a 17,5 GeV. Ora i componenti dell'acceleratore, quasi tutti realizzati appositamente, verranno estensivamente provati, messi a punto e coordinati fino a ottenere un controllo accurato delle caratteristiche del fascio di elettroni. A questo punto gli elettroni accelerati saranno guidati nella sezione successiva, dove attraverseranno delle speciali strutture magnetiche, chiamate ondulatori, che nello European XFEL si estendono per circa 210 metri In questa sezione, il moto ondulatorio periodico degli elettroni genererà gli impulsi laser di radiazione X ultraluminosi. Lo European XFEL consentirà la produzione di raggi X ultracorti, coerenti, ad elevata brillanza, che apriranno nuove possibilità di ricerca negli ambiti della fisica dello stato solido, della geofisica, della chimica, della scienza dei materiali, delle nanotecnologie, della medicina e della microbiologia strutturale.
L'acceleratore dello European XFEL rappresenta un eccellente esempio di cooperazione globale di successo, che ha visto lavorare insieme strutture di ricerca, istituti e università a fianco delle aziende che hanno realizzato i componenti. L'acceleratore di particelle superconduttivo dello European XFEL è stato costruito, nel corso degli ultimi sette anni, da un consorzio internazionale guidato da DESY, composto, oltre che dall’INFN in Italia, da CEA e CNRS in Francia, IFJ-PAN, NCBJ e la Wrocław University of Technology in Polonia, Budker Institute, Institute for High Energy Physics, Institute for Nuclear Research, e NIIEFA in Russia, CIEMAT e Universidad Politécnica de Madrid in Spagna, Manne Siegbahn Laboratory, Stockholm University, e Uppsala University in Svezia, e Paul Scherrer Institute in Svizzera.
Con la messa in funzione di questa macchina complessa, gli scienziati dello European XFEL hanno coronato il loro impegno ventennale di sviluppo e costruzione di questa grande infrastruttura di ricerca internazionale. Lo European XFEL è tra le più grandi e ambiziose infrastrutture europee di ricerca, dal costo di oltre 1,2 miliardi di euro. Indicato come uno dei progetti più importanti nelle roadmap di ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures), lo European XFEL porrà l’Europa all’avanguardia in campo internazionale, aprendo nuove strade per lo sviluppo delle conoscenze scientifiche fondamentali e per le loro applicazioni in campo biologico, medicale e dei nuovi materiali. L’inizio delle attività sperimentali è ormai a portata di mano.