Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Un acceleratore tipo

1. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleUn acceleratore tipo In ogni acceleratore si trovano gli elementi: • Sorgente delle particelle da accelerare • Tubo a vuoto nel quale le particelle circolano fino al loro utilizzo. Il vuoto serve per evitare le collisioni fascio-gas. In un acceleratore 10-6 Torr in un anello di collisione 10-11 Torr • Sistema di deflessione e focalizzazione. Si usa normalmente un sistema di magneti, bipolari per deflettere, quadrupolari e sestupolari per focalizzare. • Sistema di accelerazione. Si usano campi elettrici per aumentare l’energia delle particelle e per compensare le eventuali perdite di energia per irraggiamento. • Sistema di controllo e di correzione per misurare (correggere) l’intensità, le dimensioni, posizione e dispersione del fascio (durante l’accelerazione). • Targhette interne e/o sistemi di estrazione per la produzione di fasci secondari per le esperienze. Nel caso di anelli di collisione si usa uno dei due fasci come targhetta. Marisa Valdata Dottorato 2014

2. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Una sorgente di particelle consiste in: Marisa Valdata Dottorato 2014

3. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Si scalda un filo e sihannoglielettroni. Si metteun campo elettrico(condensatore) e si ha il primo acceleratore Tuboa raggicatodici(vecchiotelevisoreoscillografo video etc.) Marisa Valdata Dottorato 2014

4. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

5. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

6. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

7. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

8. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

9. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

10. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

11. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

12. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni Marisa Valdata Dottorato 2014

13. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni Una buona sorgente di ioni (protoni inclusi) è piuttosto complicata da fare. Deve infatti soddisfare un certo numero di criteri: • Corrente intensa, particelle emesse in un piccolo angolo solido (perché entrino tutte nella colonna di accelerazione) e piccola dispersione di energia. • Poche particelle diverse da quelle volute. • Il passaggio di gas nella colonna di accelerazione dalla fenditura da cui escono le particelle deve essere piccolo (meno pompe a vuoto) • Deve funzionare bene ( non è facile smontare acceleratore e sorgente) Marisa Valdata Dottorato 2014

14. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni Accennerò a tre tipi di sorgenti: • Plasmatronper produrre protoni, deuteroni e talvolta ioni di He. • Sorgente PIG per ioni leggeri (penningionization) • Sorgente ECR per ioni pesanti (electron cyclotronresonance) In tutti i tre tipi di sorgenti sono gli elettroni che ionizzano i gas per produrre le particelle e con l’aiuto di campi elettrici e magnetici si produce un plasma di particelle confinato in un piccolo volume. Marisa Valdata Dottorato 2014

15. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni Marisa Valdata Dottorato 2014

16. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni Marisa Valdata Dottorato 2014

17. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni leggeri Marisa Valdata Dottorato 2014

18. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni leggeri Una buca di potenziale ed un campo magnetico obbligano gli elettroni ad andare avanti ed indietro (fare lunghi percorsi) nel gas in modo da avere un’alta ionizzazione. Si confina inoltre il plasma in un piccolo volume Nel Duoplasmatron gli elettroni provengono da un catodo riscaldato e vanno verso un anodo. Catodo ed anodo sono dentro un magnete solenoidale di materiale ferromagnetico. Gli elettroni emessi dal catodo restano confinati a causa del campo magnetico assiale ed a causa del potenziale negativo dell’elettrodo di estrazione, situato dopo l’anodo. Questi elettroni ionizzano fortemente il gas e si crea un plasma nella expansioncup situata dopo l’anodo. Il plasma è denso e fortemente ionizzato, gli ioni positivi vengono estratti tramite un buco nell’anodo Marisa Valdata Dottorato 2014

19. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni leggeri Duoplasmatron del CERN Marisa Valdata Dottorato 2014

20. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni leggeri • Alta densità di corrente >1Acm-2 • Basso rumore • Non funziona senza Cs PIG (PenningIonizationGauge) Un anodo cilindrico, vuoto dentro, bucato alle due estremità, si trova fra due catodi piani. Alla superficie dei due catodi, ricoperti da uno strato di ossido, si produce un’emissione di elettroni secondari. Questi elettroni penetrano nell’anodo, ionizzano il gas, e restano confinati all’interno dell’anodo ed attorno all’asse dell’anodo a causa di un campo magnetico assiale. Gli ioni sono estratti dal plasma che si è creato attraverso una fenditura in una delle pareti dell’anodo. Questa sorgente è utilizzata per produrre ioni parzialmente ionizzati non troppo pesanti (fino al Neon) Marisa Valdata Dottorato 2014

21. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di ioni Marisa Valdata Dottorato 2014

22. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Sorgente ECR (Electron CyclotronResonance) E’ una bottiglia magnetica cilindrica con una buca di potenziale sull’asse. Gli elettroni iniettati sull’asse sono accelerati da degli impulsi di RF, alla frequenza di ciclotrone w=(eB)/g3mc. Il campo magnetico è abbastanza elevato. La sorgente ECR è grande (1m di diametro per 1m di lunghezza). Usata per produrre anche ioni pesanti. Marisa Valdata Dottorato 2014

23. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Marisa Valdata Dottorato 2014

24. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Marisa Valdata Dottorato 2014

25. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Marisa Valdata Dottorato 2014

26. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti Positroni Gli e+ usati nei collider e+e- sono prodotti o tramite produzione di coppie (da fotoni) o tramite un decadimento radioattivo. Antiprotoni Gli p̄ sono prodotti inviando un fascio di p su una targhetta. Gli p̄ prodotti sono pochi ed è quindi necessario accumularli (in un anello di accumulazione) Marisa Valdata Dottorato 2014

27. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori Come abbiamo accennato gli acceleratori al giorno d’oggi hanno svariate applicazioni  le energie delle particelle accelerate variano da pochi KeV a (molti) TeV Comunque anche un grosso acceleratore (anello di collisione) quale LHC ha bisogno di più di una fase di pre-accelerazione. (slide 5) Parleremo quindi nell’ordine di: • Acceleratori a corrente continua • Acceleratori a corrente alternata • Acceleratori lineari • Acceleratori circolari • Ciclotroni • Betatroni • Sincrotroni • Anelli di collisione Marisa Valdata Dottorato 2014

28. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Campielettrostatici (A=0) Per accelerareragionevolmentedelleparticelle con campielettricicostantiabbiamobisogno di forticampielettrici. Marisa Valdata Dottorato 2014

29. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Marisa Valdata Dottorato 2014

30. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Converte basso voltaggio in alto voltaggio. Nel primo semiciclo (negativo) del voltaggio il condensatore si carica, perché il diodo conduce. Marisa Valdata Dottorato 2014

31. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Nel semiciclo positivo sia la scarica del primo condensatore che il generatore caricano il secondo diodo con una carica doppia della precedente. Marisa Valdata Dottorato 2014

32. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Idealmente il voltaggio finale V è pari a 2 volte il voltaggio V0 del generatore moltiplicato per il numero di stadi: V=nx2V0 Marisa Valdata Dottorato 2014

33. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Una cinghia di materiale isolante scorre fra massa ed un generatore di alta tensione. Una scarica a corona fa si che la cinghia si carica ed essa a sua volta induce carica elettrostattica all’elettrodo esterno (1÷10 MV). Si possono accelerare particelle di entrambi i segni. Marisa Valdata Dottorato 2014

34. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Marisa Valdata Dottorato 2014

35. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Marisa Valdata Dottorato 2014

36. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Un geniale miglioramento si ottiene con il tandem (l’energia è raddoppiata). Ioni negativi sono accelerati verso l’anodo, vengono resi positivi tramite l’urto su un sottile foglio metallico e gli ioni positivi vengono nuovamente accelerati allontanandosi dall’anodo. I Van derGraaf sono ancora utilizzati. Il loro merito principale è quello di accelerare tutti i tipi di particelle con una piccola dispersione di energia. La massima energia raggiungibile è limitata dalla produzione di fenomeni di scarica. Marisa Valdata Dottorato 2014

37. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Marisa Valdata Dottorato 2014

38. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Il generatore di alta tensione in aria può raggiungere al massimo 1.5-2.0 MV (300 kV/m) (variando secondo l’umidità), sopra tale tensione scarica. Soluzione: mettere il generatore in un recipiente pieno di gas ad alta costante dielettrica (e.g. SF6 a 10 bar (106 Pascal)) scariche per tensioni > 10 MV/m Comunque anche in questo caso in pratica i generatori sono limitati a 25 MV. Marisa Valdata Dottorato 2014

39. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Al solito per evitare scariche il recipiente deve essere molto grande  conviene usare un partitore di tensione. Tale partitore è costituito da una serie di elettrodi di metallo e da resistenze tutte uguali (uguale caduta di tensione ai capi di ognuna) Marisa Valdata Dottorato 2014

40. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua Marisa Valdata Dottorato 2014

41. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente alternata Campivariabilinel tempo Marisa Valdata Dottorato 2014

42. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente alternata Circuiti risonanti: cavità a radiofrequenza Marisa Valdata Dottorato 2014

43. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari Acceleratori lineari (LINAC= linear particleaccelerator) Gli acceleratori lineari hanno molte applicazioni: • Generano raggi X ed elettroni ad alta energia per scopi medici (diagnostica e cura di tumori) • Servono come iniettori per acceleratori a più alte energie (e.g. usato come iniettore al Booster del CERN) • Sono utilizzati per accelerare ad alte energie particelle leggere. Le dimensioni di un LINAC variano molto a seconda della particella e dall’energia raggiunta. Vanno da ½ m fino a 3.2 km (SLAC 2 miglia) Marisa Valdata Dottorato 2014

44. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari Appena prima del LINAC vero e proprio abbiamo normalmente: • Una sorgente di particelle (elettroni protoni, ioni pesanti) • Un generatore di alta tensione per la pre-accelerazione delle particelle da essere iniettate nel LINAC Il LINAC consiste in : • Un tubo a vuoto in cui è istallato l’acceleratore. (lunghezza variabile a seconda delle applicazioni previste • Un sistema di elettrodi cilindrici di lunghezza variabile ( il voltaggio massimo è limitato per evitare scariche od emissione secondaria di elettroni dalle superfici) • Uno o più generatori di RF usati per dare tensione agli elettrodi cilindrici Marisa Valdata Dottorato 2014

45. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari Ulteriori componenti di un LINAC sono: • Lenti magnetiche od elettrostatiche per mantenere i bunch compatti e situati nel centro del tubo a vuoto e degli elettrodi. • L’allineamento dei vari elementi di acceleratori lineari molto lunghi può essere mantenuto usando servosistemi guidati da un fascio laser. Marisa Valdata Dottorato 2014

46. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari • SLAC ed il LINAC • (2 miglia) Marisa Valdata Dottorato 2014

47. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari • LINAC 2 • CERN Marisa Valdata Dottorato 2014

48. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari 7 MeVprotonlinac for short livedisotopes Marisa Valdata Dottorato 2014

49. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari Marisa Valdata Dottorato 2014

50. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari Marisa Valdata Dottorato 2014