L'obiettivo generale di questa tesi è investigare come i reticoli cristallini, grazie alla loro struttura atomica ordinata, possano essere impiegati per controllare la dinamica e la radiazione di elettroni e positroni relativistici per lo sviluppo di nuove sorgenti di fotoni. Partendo dai fenomeni coerenti nei cristalli dritti, la ricerca prosegue attraverso i cristalli curvi, con cui si ottengono elementi per la manipolazione del fascio di particelle e sorgenti intense di radiazione, e si conclude con i cristalli curvati periodicamente, ingegnerizzati per agire come ondulatori cristallini per la generazione di fotoni ad alta brillanza. La prima parte si concentra sui cristalli dritti come radiatori ad alte prestazioni che amplificano l'emissione di bremsstrahlung rispetto a target amorfi. Esperimenti con elettroni sub-GeV al Mainz Microtron (MAMI) hanno dimostrato, per la prima volta, un aumento dell'emissione in scintillatori orientati di PWO, BGO e CsI, confermando il loro potenziale come materiali per rivelatori compatti ad alta sensibilità. In parallelo, sono stati studiati bersagli di tungsteno tramite simulazioni Monte Carlo Geant4 con fasci di elettroni da 100 MeV per ottimizzare la produzione di neutroni indotta da fotoni per applicazioni per applicazioni nel campo dell’energia nucleare guidate da fascio. La seconda parte tratta i cristalli curvi come strumenti per la manipolazione del fascio e come bersagli per la generazione di intensa radiazione gamma. Misure con elettroni e positroni al MAMI hanno dimostrato efficienze di deflessione da record nel regime sub-GeV (efficienze di channeling superiori al 50% a 300 MeV e al 78% a 530 MeV), insieme ad un aumento della radiazione fino a un fattore sei rispetto alle orientazioni amorfe. Misure dettagliate e simulazioni Geant4 implementanti il formalismo semiclassico di Baier-Katkov sono state utilizzate per modellare sia la deflessione del fascio che l'emissione di radiazione. È stato sviluppato uno strumento Python dedicato per analizzare le traiettorie delle particelle, fornendo una comprensione più profonda della dinamica del fascio e della radiazione emessa. La parte finale riguarda gli ondulatori cristallini, che consistono in cristalli curvati periodicamente in cui elettroni o positroni incanalati seguono la curvatura dei piani atomici, generando così radiazione elettromagnetica in modo simile a quella degli ondulatori magnetici convenzionali ma con periodi molto più piccoli. Ciò consente la realizzazione di sorgenti compatte di raggi gamma ad alta intensità con potenziali applicazioni nell'imaging medico, nella produzione di isotopi e nella fisica nucleare. Il primo prototipo, fabbricato mediante deposizione superficiale di nitruro di silicio su silicio, è stato testato al CERN con positroni da 35 GeV, rivelando un picco di ondulatore statisticamente significativo. I profili di deformazione dei piani ottenuti tramite simulazioni agli elementi finiti sono stati importati nel toolkit MBN Explorer per simulare sia le traiettorie delle particelle che gli spettri emessi, mostrando la presenza di un picco dato da radiazione da ondulatore con una brillanza di picco di circa 10^{22} fotoni/s/mm^2/mrad^2/0.1% BW usando il fascio di positroni da 10 GeV proposto per FACET-II. Ulteriori simulazioni sono state effettuate per un fascio di positroni da 20 GeV interagente con un ondulatore cristallino ottimizzato rappresentativo dei parametri previsti per l'iniettore del Future Circular Collider.
The overarching goal of this thesis is to investigate how crystalline media, owing to their ordered atomic structure, can be employed to control the dynamics and radiation of relativistic electrons and positrons for the development of novel photon sources. Starting from coherent phenomena in straight crystals, the research progresses through bent crystals, where beam steering and radiation enhancement are achieved, and concludes with periodically bent crystals, engineered to act as crystalline undulators for tunable, high-brilliance photon generation. The first part focuses on straight crystals as high-performance radiators enhancing bremsstrahlung emission compared to amorphous targets. Experiments with sub-GeV electrons at the Mainz Microtron (MAMI) demonstrated, for the first time, emission enhancement in oriented PWO, BGO, and CsI scintillators, confirming their potential as compact, high-sensitivity detector materials. In parallel, tungsten targets were studied via Monte Carlo Geant4 simulations with 100 MeV electron beams to optimize photon-induced neutron production for beam-driven nuclear-energy applications. The second part addresses bent crystals as tools for beam manipulation and as targets for the generation of intense gamma-ray radiation. Electron and positron measurements at MAMI demonstrated record steering performance in the sub-GeV regime (channeling efficiencies exceeding 50% at 300 MeV and 78% at 530 MeV), together with radiation enhancements up to a factor of six compared to amorphous orientations. Detailed measurements and Geant4 simulations implementing the Baier--Katkov quasiclassical formalism were used to model both beam deflection and radiation emission. A dedicated Python tool was developed to analyze particle trajectories, providing deeper insight into the beam dynamics and the emitted radiation. The final part concerns crystalline undulators, which consist of periodically bent crystals in which channeled electrons or positrons follow the bending of the atomic planes, thus generating electromagnetic radiation similarly to that of conventional magnetic undulators but with much smaller periods. This allows the realization of compact, high-intensity $\gamma$-ray sources with potential applications in medical imaging, isotope production, and nuclear physics. The first prototype, fabricated by silicon nitride surface deposition on silicon, with a period of about 330 μm and an amplitude of 1.8 nm, was tested at CERN with 35 GeV positrons, revealing a statistically significant undulator peak above background. Finite-element deformation fields were imported into the MBN Explorer toolkit to simulate both particle trajectories and emitted spectra, showing a clear undulator peak around 2~MeV with a peak brilliance of the order of ~10^{22} photons/s/mm^{2}/mrad^{2}/0.1% BW under the 10 GeV positron beam proposed for FACET-II. Additional simulations were carried out for a 20 GeV positron beam interacting with an optimized crystalline undulator representative of the parameters foreseen for the injector of the Future Circular Collider. Overall, the results presented in this thesis demonstrate the potential of crystalline media to steer charged-particle beams and to generate intense, tunable radiation, bridging fundamental studies with future electron and positron accelerators and next-generation high-brilliance photon sources.
Steering and Radiation Generation in Crystals by Coherent Orientational Effects and Their Applications to Electron and Positron Accelerators
NEGRELLO, RICCARDO
2026
Abstract
L'obiettivo generale di questa tesi è investigare come i reticoli cristallini, grazie alla loro struttura atomica ordinata, possano essere impiegati per controllare la dinamica e la radiazione di elettroni e positroni relativistici per lo sviluppo di nuove sorgenti di fotoni. Partendo dai fenomeni coerenti nei cristalli dritti, la ricerca prosegue attraverso i cristalli curvi, con cui si ottengono elementi per la manipolazione del fascio di particelle e sorgenti intense di radiazione, e si conclude con i cristalli curvati periodicamente, ingegnerizzati per agire come ondulatori cristallini per la generazione di fotoni ad alta brillanza. La prima parte si concentra sui cristalli dritti come radiatori ad alte prestazioni che amplificano l'emissione di bremsstrahlung rispetto a target amorfi. Esperimenti con elettroni sub-GeV al Mainz Microtron (MAMI) hanno dimostrato, per la prima volta, un aumento dell'emissione in scintillatori orientati di PWO, BGO e CsI, confermando il loro potenziale come materiali per rivelatori compatti ad alta sensibilità. In parallelo, sono stati studiati bersagli di tungsteno tramite simulazioni Monte Carlo Geant4 con fasci di elettroni da 100 MeV per ottimizzare la produzione di neutroni indotta da fotoni per applicazioni per applicazioni nel campo dell’energia nucleare guidate da fascio. La seconda parte tratta i cristalli curvi come strumenti per la manipolazione del fascio e come bersagli per la generazione di intensa radiazione gamma. Misure con elettroni e positroni al MAMI hanno dimostrato efficienze di deflessione da record nel regime sub-GeV (efficienze di channeling superiori al 50% a 300 MeV e al 78% a 530 MeV), insieme ad un aumento della radiazione fino a un fattore sei rispetto alle orientazioni amorfe. Misure dettagliate e simulazioni Geant4 implementanti il formalismo semiclassico di Baier-Katkov sono state utilizzate per modellare sia la deflessione del fascio che l'emissione di radiazione. È stato sviluppato uno strumento Python dedicato per analizzare le traiettorie delle particelle, fornendo una comprensione più profonda della dinamica del fascio e della radiazione emessa. La parte finale riguarda gli ondulatori cristallini, che consistono in cristalli curvati periodicamente in cui elettroni o positroni incanalati seguono la curvatura dei piani atomici, generando così radiazione elettromagnetica in modo simile a quella degli ondulatori magnetici convenzionali ma con periodi molto più piccoli. Ciò consente la realizzazione di sorgenti compatte di raggi gamma ad alta intensità con potenziali applicazioni nell'imaging medico, nella produzione di isotopi e nella fisica nucleare. Il primo prototipo, fabbricato mediante deposizione superficiale di nitruro di silicio su silicio, è stato testato al CERN con positroni da 35 GeV, rivelando un picco di ondulatore statisticamente significativo. I profili di deformazione dei piani ottenuti tramite simulazioni agli elementi finiti sono stati importati nel toolkit MBN Explorer per simulare sia le traiettorie delle particelle che gli spettri emessi, mostrando la presenza di un picco dato da radiazione da ondulatore con una brillanza di picco di circa 10^{22} fotoni/s/mm^2/mrad^2/0.1% BW usando il fascio di positroni da 10 GeV proposto per FACET-II. Ulteriori simulazioni sono state effettuate per un fascio di positroni da 20 GeV interagente con un ondulatore cristallino ottimizzato rappresentativo dei parametri previsti per l'iniettore del Future Circular Collider.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
