ACCELERATORI DI PARTICELLE Dr. Adolfo Esposito

1. ACCELERATORI DI PARTICELLE Dr. Adolfo Esposito

2. GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE • Gli acceleratori di particelle possono accelerare soltanto particelle cariche. • La prima categoria di tali particelle sono le cosiddette particelle elementari, elettroni e protoni (in realtà questi ultimi non elementari), a causa sia della loro relativa facilità di produzione, che della interpretazione dei risultati. • Sono altresì accelerabili gli ioni di molti elementi (deuteroni  uranio) e particelle . • Questi ioni possono avere carica elementare o essere multicarica. • Per carica elementare si intende la carica dell'elettrone. • In completo accordo con la relazione E=mc2 la massa è una forma di energia. Viene pertanto utilizzata la stessa unità sia per esprimere l'energia di una particella che per esprimere la sua massa viene usato l'eV. • L'eV è molto piccolo e pertanto vengono utilizzate le unità derivate dal SI FERDOS Dr. Adolfo Esposito

3. In tabella è possibile vedere le principali caratteristiche di alcune particelle accelerate FERDOS Dr. Adolfo Esposito

4. Movimento di una particella carica in un campo elettrico uniforme • Le particelle cariche ferme o in movimento all’interno di un campo elettrico uniforme sono soggette alle stesse leggi cui obbediscono i corpi liberi in un campo gravitazionale. • Se noi ipotizziamo di mettere un elettrone e in un campo elettrico Ela forza che agisce sull’elettrone sarà • F= e E • F= me a • dove a è l’accelerazione ed me la massa dell’elettrone da cui si può ricavare che il movimento di un elettrone in un campo elettrico uniforme descritto da • Accelerazione • Velocità • Velocità finale dopo l’attraversamento di un segmento con differenza di potenziale V FERDOS Dr. Adolfo Esposito

5. Spazio percorso • Le unità di misura utilizzate sono • a in cm/s2 • v in cm/s • E in V/cm • (campo elettrico) • V in V • m in g • s in cm • t in s FERDOS Dr. Adolfo Esposito

6. Se invece di un elettrone si accelera uno ione la velocità di cui abbiamo parlato diventa • Dove n è il numero di cariche elettriche elementari ed mi è la massa dello ione accelerato. • Le considerazioni finora svolte sono relative al movimento di particelle che si muovono a velocità piccole cioè a particelle non relativistiche. • Introduciamo dapprima un coefficiente • E trattiamo l’elettrone come se fosse un punto materiale. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

7. Si possono distinguere due casi • <<1 • Se  è molto minore di 1 la particella si muove a una velocità bassa e allora la meccanica newtoniana è valida e la massa delle particelle m corrisponde con la sua massa a riposo. • Nel caso non possa trascurarsi il valore di 2 allora FERDOS Dr. Adolfo Esposito

8. Se la velocità della particella è espressa in termini della tensione di accelerazione la massa relativistica diventa • e per ioni di massa A e carica n e • Quando si tiene conto dell’aumento della massa dell’elettrone allora la velocità che raggiunge in un dato campo elettrico è FERDOS Dr. Adolfo Esposito

9. La dipendenza di tale velocità dal tipo di particelle è riportata in figura FERDOS Dr. Adolfo Esposito

10. Mentre gli elettroni raggiungono la velocità della luce già a qualche decina di MeV, la velocità delle altre particelle si avvicina alla velocità della luce ad energie superiori al GeV. Ciò è ovviamente dovuto alla differenza fra le masse delle particelle. • Gli elettroni sono classificati come particelle leggere mentre i protoni, e deuteroni e le  sono classificate come particelle pesanti. • Di conseguenza gli acceleratori vengono divisi • in due grosse famiglie • ACCELERATORI PER PARTICELLE LEGGERE • ACCELERATORI PER PARTICELLE PESANTI FERDOS Dr. Adolfo Esposito

11. Se la velocità della particella è veramente piccola allora la massa della particella è veramente vicina alla massa a riposo. • Tutto ciò non sempre è vero nell’accelerazione delle particelle. • La massa delle particelle, specialmente nel caso degli elettroni è molto più grande della massa a riposo. È pertanto necessario tenere conto dell’aumento di massa. • Un elettrone di energia 100 keV ha una massa relativistica 20% in più della sua massa a riposo. A 1 MeV, siamo al 320% in più ; a questa energia l’elettrone è al 90% della velocità della luce. Aumentando ulteriormente l’energia a 10 MeV si è praticamente raggiunta la velocità della luce. Nella fase di accelerazione ad alta energia la velocità dell’elettrone cresce poco ma la sua massa relativistica cresce molto rapidamente. Un elettrone da 20 GeV è praticamente alla velocità della luce e la sua massa è 40000 volte maggiore di quella a riposo. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

12. Le particelle pesanti si comportano in maniera differente: la velocità relativa di un protone da 1 MeV è solo il 4.6% della velocità della luce, la velocità relativa di un deuterone è 3.2% di quella della luce. L’incremento relativistico della massa a queste energie è dell’ordine dello 0.2%. • Solo ad energie dell’ordine di 20 MeV la massa relativistica del protone cresce di circa 2% mentre quella del deuterone rimane all’1%. • Da ciò segue che nel range delle velocità relativistiche, che praticamene incontriamo molto frequentemente, nel campo delle accelerazioni di particelle, gli elettroni, che hanno una massa a riposo piccola, diventano uguali in massa e quantità di moto (momento) delle particelle più pesanti. • Nella figura è possibile vedere graficamente quanto detto. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

13. La quantità di moto o momento di una particella è il prodotto della massa per la sua velocità • P=mv • Ed è in genere espressa in GeV/c • Nel range delle alte velocità la massa m dovrebbe essere sostituita dalla sua massa relativistica. • In regime relativistico P mc e differisce dall’energia E=mc2 per un fattore c: • In altre parole, per una particella relativistica la quantità di moto altri non è che il rapporto fra l’energia e la velocità della luce ed ecco spiegata l’unità di misura GeV/c. • La medesima unità si può utilizzare a velocità più bassa ma la relazione fra la quantità di moto e l’energia non è cosi’ semplice. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

14. Negli acceleratori di particelle è spesso usato il rapporto fra l’energia cinetica Ek e l’energia a riposo Eo= Ek / Eo • Questo rapporto può essere usato per determinare le proprietà fondamentali della particella in movimento. • L’energia totale Et=mc2=m0c2+Ek=E0+Ek • Da cui dividendo perm0c2 si avra’ m=m0(1+) ma • Da cui • Da cui la quantità di moto FERDOS Dr. Adolfo Esposito

15. Nell’intervallo delle basse energie la velocità cresce molto più rapidamente della massa. Per energie veramente alte allora la velocità non cambia ma è la massa che cresce. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

16. Un altro modo di rappresentare il movimento delle particelle accelerate è quello di usare il rapporto dell’energia totale sull’energia della massa a riposo. • Per Ek>>E0 allora  • Se una particella si muove in un campo magnetico possiamo scrivere la seguente relazione • Dove r è il raggio dell’orbita delle particelle stabili e B è l’induzione del campo magnetico. • Il prodotto rB è detto rigidità magnetica della particella. • Per Ek>>E0 l’equazione precedente la possiamo scrivere. • Le equazioni cosi’ scritte sono valide per tutte le particelle se si tiene ovviamente conto della massa e della carica della particella. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

17. Nel range delle particelle non relativistiche cioe’ Ek non molto piu’ grande di E0 • Il fattore di proporzionalità ha lo stesso valore per i protoni e per le  , è più piccolo per l’elettrone ede’ volte piu’ grande per i deuteroni . • Nel range delle particelle relativistiche il prodotto rB è proporzionale a Ek. Il fattore di proporzionalità è lo stesso per particelle aventi la stessa carica ma è la meta’ per le particelle  Nella figura è possibile vedere l’andamento di rB in funzione dell’energia per varie particelle. Una proporzionalita’ a e’ evidente nel range non relativistico. Le curve per protoni ed alfa coincidono e quella relativa ai deuteroni e’ spostata verso l’alto di e quella per elettroni e’ spostata verso il basso di . La regione di transizione e’ in corrispondenza della massa a riposo. Dalla medesima figura è possibile estrapolare che poiche’ il massimo valore ottenibile di B è pari a 2 Teslail raggio di acceleratori circolari dell’ordine delle centinaia di GeV deve essere centinaia di metri. mp =1836 me FERDOS Dr. Adolfo Esposito

18. Se infatti l’induzione magnetica e’ espressa in Tesla 1 Tesla = 1Wb/m2 1Wb= 1 V*s il prodotto rB per particelle all’energia di 100 GeV e’ circa 500 e tenuto conto dell’induzione di 2 Tesla si ricava un raggio di 250 m FERDOS Dr. Adolfo Esposito

19. UN PO' DI STORIA • A partire dalla scoperta della radioattività la fisica nucleare ebbe a sua disposizione soltanto sorgenti naturali di particelle di alta energia. • Tali sorgenti altro non erano che isotopi naturali  emettitori quali gli isotopi del Polonio o del Radio. • Le particelle  in parola avevano energie nell'intervallo 5.30  7.68 MeV. Pertanto la fisica nucleare si doveva limitare a questo solo tipo di particelle peraltro non di elevata energia. • L’altro ostacolo per un proficuo lavoro di ricerca era dato dall’esiguo numero di reazioni prodotte da particelle da sorgenti naturali (piccolo numero di  ma più piccolo numero di reazioni). FERDOS Dr. Adolfo Esposito

20. Allo scopo di studiare meglio i fenomeni fisici era necessario avere a disposizione delle sorgenti di particelle che fossero sufficientemente numerose tali da poter evidenziare anche fenomeni rari. Nell’ipotesi che trasformazioni nucleari potessero avvenire anche con l’uso di altre particelle oltre le , Rutherford nel 1927 propose la costruzione di un generatore da 1 MeV. Detto generatore doveva essere usato per accelerare protoni da usare su varie targhette. Nel frattempo lo stesso Rutherford suggerì a Cockcroft e Walton di investigare se per caso tali trasformazioni potessero avvenire anche utilizzando tensioni più basse. Nel 1932 i due autori annunciarono di aver ottenuto la scissione di atomi di litio a mezzo di protoni accelerati a potenziali relativamente bassi. Essi avevano costruito ed usato il primo acceleratore al mondo. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

21. Questo acceleratore, chiamato cannone a protoni, consisteva in una camera di accelerazione contenente una sorgente di elettroni con catodo riscaldato e una coppia di elettrodi accelerati. Gli elettroni emessi dal catodo erano accelerati dalla tensione esistente dal catodo e anodo. Passando attraverso la camera gli elettroni ionizzano un elevato numero di atomi di idrogeno nelle vicinanze dell’anodo. Gli atomi di idrogeno ionizzati altro non sono che protoni. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

22. Se applichiamo una alta tensione Va di 150kV fra l’anodo e l’elettrodo di accelerazione di polarità opportuna, i protoni prodotti nei pressi dell’anodo sono accelerati e lasciano la camera da vuoto per andare a colpire la targhetta di litio. Essi poterono osservare e misurare particelle  con energie fino a 8.6 MeV e ranges fino a 8 cm. Durante queste prime prove trovarono che due particelle  erano emesse in direzione 180˚ ipotizzando la seguente reazione nucleare: FERDOS Dr. Adolfo Esposito

23. L’esperimento di Cockcroft-Walton permise per la prima volta trasformazioni nucleari indotte da particelle accelerate artificialmente in un acceleratore, cioè in un dispositivo progettato per accelerare particelle cariche. Successivamente gli stessi autori furono in grado di accelerare particelle fino a 700 keV. Questo tipo di acceleratore fu chiamato COCKCROFT-WALTON dal nome degli inventori. È considerato il primo acceleratore di particelle elementari costruito al mondo. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

24. Questo acceleratore aveva una camera di accelerazione chiusa in una ampolla di vetro di 2 m di altezza e un generatore, sempre chiuso in vetro, di un’altezza pari a 3,6 m. Il generatore era in grado di fornire correnti dell’ordine di 10A cioè pari a ~6.24 x 1013 protoni/s. Intensità equivalente era fornita da una quantità di 34 g di radio. In un secondo tempo la Philips costruì a Cambridge un acceleratore a cascata in grado di dare 100 A di protoni a un’energia di 1.2 MeV. Un anno dopo Crockroft e Walton, Van de Graaff, un ricercatore americano, costruì il primo acceleratore elettrostatico, più tardi divenuto uno dei meno costosi e comunemente usati generatori per l’accelerazione di particelle. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

25. Questi ultimi due acceleratori sono acceleratori lineari ad alta tensione Lo schema di principio di funzionamento è intuibile dalla figura Una sorgente di elettroni o di ioni è installata all’interno di una camera da vuoto e una alta tensione è applicata agli estremi della camera da vuoto. Quando gli elettroni sono prodotti essi subiscono una accelerazione pari alla tensione applicata. Se la differenza di potenziale è per esempio 1 MV allora gli elettroni alla fine della camera da vuoto hanno una energia di 1 MeV. Il fascio va poi a colpire una targhetta che può essere interna o esterna, in quest’ultimo caso abbiamo un cosiddetto fascio estratto. Pertanto un acceleratore lineare è costituito da un percorso lineare in camera da vuoto, per il fascio accelerato e una sorgente di alta tensione per fornire l’energia. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

26. La camera deve essere il più possibile “vuota” altrimenti le particelle accelerate interagirebbero con le molecole del gas residuo e pertanto non si avrebbe il fascio. Il principale svantaggio degli acceleratori lineari ad alta tensione è che la camera deve contenere l’alta tensione e i problemi di isolamento diventano il fattore limitativo per le energie più alte. Si riescono a raggiungere tensioni di 15-30 MV. Il problema è stato del tutto eliminato con i cosiddetti acceleratori lineari a radiofrequenza FERDOS Dr. Adolfo Esposito

27. Il principio di funzionamento prevede che le particelle viaggino lungo un percorso rettilineo, all’interno di una serie di elettrodi. La tensione a radiofrequenza viene applicata alle sezioni contigue in modo tale che le particelle possano ricevere una accelerazione in fase con l’energia da loro posseduta. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

28. Un miglioramento nelle tecniche di accelerazione si ebbe subito dopo la II guerra mondiale, anche perché le conoscenze sulle microonde a radiofrequenza avevano nel frattempo subito notevoli avanzamenti. Sebbene gli acceleratori siano capaci di accelerare particelle all’energia del GeV essi hanno dimensioni rilevanti. L’acceleratore lineare di Stanford 3 miglia (3200 m) è capace di accelerare elettroni fino all’energia di 35GeV. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

29. Acceleratori Circolari • Contrariamente agli acceleratori lineari gli acceleratori circolari accelerano le particelle in percorsi circolari muovendo le particelle lungo una spirale ovvero lungo una circonferenza. • Il primo acceleratore circolare fu sviluppato da Lawrence e Livingston. Lawrence prese il nobel per questa invenzione. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

30. All’interno di una camera da vuoto piatta furono installati in una coppia di elettrodi a forma di lettera “D”. Un tensione alternata a radiofrequenza è applicata a questi elettrodi. Le particelle accelerate sono emesse nel punto centrale della camera e precisamente fra i due poli di elettromagnete molto potente. Partendo da questo punto centrale le particelle viaggiano su orbite circolari. Il campo magnetico perpendicolare al piano dell’orbita ha la funzione di curvare dette orbite e il campo elettrico a radiofrequenza ha la funzione di accelerarle. Esse percorrono un semicerchio di raggio crescente. Durante un giro le particelle sono accelerate due volte. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

31. Il primo di tali acceleratori raggiungeva un’energia massima per i protoni accelerati pari a 80 keV e con un altro prototipo fino a 500 keV ma le intensità non superavano 0.01 A . Dagli anni 20 in poi molti scienziati lavorarono a tecniche di accelerazione circolari differenti da quelle dei ciclotroni. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

32. Nel 1940 negli Stai Uniti fu costruito il primo Betatrone ad opera di D.W. Kerst. Questo tipo di acceleratore consiste in una camera toroidale installata all’interno dei poli di un elettromagnete. L’elettrone emesso da una sorgente si muove all’interno della camera da vuoto. Il betatrone non ha elettrodi acceleranti a radiofrequenza. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

33. Il campo magnetico applicato svolge due funzioni: quella di deflettere il fascio e di accelerarlo all’interno della camera a vuoto. Durante una rivoluzione nel betatrone l’elettrone acquista una energia relativamente piccola, dell’ordine di una decina o alcune decine di eV. Se il numero di rivoluzioni è alto e l’energia finale può arrivare fino a 108 eV. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

34. Il primo betatrone raggiungeva energie di 2.35 MeV. Nel 1942 Kerst ottenne energie fino a 20 MeV, riuscendo in questo modo ad ottenere una radiazione equivalente a 1 kg di Uranio. Dopo la guerra si arrivo’ a un Betatrone da 100 MeV costruito dalla General Electric. Nel 1950 si arrivo’ infine a un’energia di 300 MeV. Gli alti costi dovuti alla parte magnetica dell’impianto hanno di fatto limitato fortemente la costruzione di impianti a più alta energia. Gli anni seguenti alla seconda guerra mondiale hanno segnato un rapido sviluppo delle tecniche di accelerazione. Indipendentemente in Unione Sovietica (Verksler) e negli Stati Uniti (Mac Millian) furono sperimentati acceleratori basati su questo nuovo metodo. Essi furono chiamati sincrotroni. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

35. In un sincrotrone le particelle sono accelerate da una tensione a radiofrequenza in un campo magnetico in salita. Questo metodo apri’ nuovi orizzonti e prospettive nell’ambito delle tecniche di accelerazione permettendo la costruzione di diversi tipi di acceleratori: gli elettrosincrotroni, i protosincrotroni e gli acceleratori per ioni pesanti. Le orbite sono fisse FERDOS Dr. Adolfo Esposito

36. Sebbene in una fase iniziale di sviluppo della tecnica questi acceleratori raggiungevano energie di centinaia di MeV, i protosincrotroni possono raggiungere attualmente energie del TeV. Contrariamente al ciclotrone, il sincrotrone ha un campo magnetico soltanto nella regione dell’orbita circolare lungo cui le particelle sono accelerate. L’elettromagnete può essere fatto come un magnete a forma di anello incurvato. Il diametro delle orbite dei moderni sincrotroni per alte energie può raggiungere diverse centinaia di metri. L’SPS del Cern raggiunge una energia di 450 GeV con un paio di km di diametro. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

37. Veksler nell’ambito dei suoi studi di accelerazione progetto’ un nuovo tipo di acceleratore per elettroni chiamato microtrone. In un microtrone l’elettrone si muove in un campo magnetico curvo lungo un cerchio di tangenti comuni. Un insieme di elettrodi alimentati a radiofrequenza sono installati nei pressi del punto tangente. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

38. Ulteriori miglioramenti dei ciclotroni furono i sincrociclotroni e i ciclotroni isocroni. I primi differiscono dai ciclotroni nella tensione applicata ai magneti a D che non ha una frequenza costante bensì variabile durante i cicli di accelerazione. I secondi differiscono dai ciclotroni a causa del comportamento del campo magnetico lungo l’orbita. In un ciclotrone classico, questo campo è costante lungo l’intera lunghezza di un’orbita di un dato raggio, nell’isocrono, la particella che si muove in un’orbita di un dato raggio incontra un campo magnetico che in sequenza aumenta e diminuisce. Gli anelli di accumulazione costituiscono un tipo di acceleratori da considerarsi a parte. Con l’aumento dell’energia delle particelle ci si e’ posti il problema di come utilizzare tali energie per la sperimentazione. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

39. Quando l’energia delle particelle accelerate, per esempio protoni e elettroni, che è incidente su una targhetta fissa dell’acceleratore, la maggior parte dell’energia è spesa nel movimento del centro di massa delle due particelle e soltanto una piccola parte nel loro relativo movimento. Ma poiché la massa particella secondaria formata è determinata dalla parte dell’energia spesa dal movimento relativo. Ciò restringe la possibilità di studiare nuove strutture. Sono i movimenti relativi che forniscono le informazioni necessarie alla comprensione della struttura della materia. Gli anelli di accumulazione offrono la possibilità di superare questo problema facendo scontrare due fasci che viaggiano in direzioni opposte. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

40. Una classificazione degli acceleratori viene effettuata sulla base delle energie massime di accelerazione Bassa energia ≤ 100 MeV Energia intermedia 100 ÷ 1000 MeV Alta energia > 1000 Mev Una ulteriore classificazione consiste nel suddividere fra acceleratori per ricerca e acceleratori per applicazioni pratiche. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

41. SORGENTI DI ELETTRONI E IONI – TARGHETTE • Lo scopo della costruzione di sorgenti di elettroni e/o ioni è quello di poter produrre un fascio di particelle libere, in prima istanza, e di produrlo in modo appropriato in seconda istanza. • Fra l’altro la sorgente svolge anche la funzione di preaccelerazione fino ad energie al centinaio di keV. • La richiesta fondamentale per una sorgente di particelle è che il fascio prodotto sia intenso, abbia una piccola divergenza angolare (beam-emittance), grande durata e stabilita’. • Negli acceleratori che lavorano in modo pulsato allora è necessario avere un gran numero di particelle per impulso. Per le sorgenti che utilizzano un gas l’ulteriore requisito è che il gas non si esaurisca. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

42. SORGENTI DI ELETTRONI • La produzione di fasci di elettroni a scopo accelerazione non differisce fortemente dalla tecnica di produzione in altri campi. • Gli elettroni sono prodotti sulla superficie di un catodo caldo che può essere fatto di filamenti di tungsteno. Se un filamento del diametro di 1 mm è riscaldato a 2600 K, è prodotta una corrente di circa 0.8 A su cm2. • La vita media di tale dispositivo è relativamente lunga ~ 400 h. • Se la temperatura del medesimo catodo raggiungesse 3000 k, la corrente aumenterebbe di un fattore 20 ma la durata sarebbe appena 20 ore. • Va fatta una scelta di compromesso. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

43. Oltre ai catodi direttamente riscaldati esistono catodi indirettamente riscaldati; i cosiddetti catodi a ossido. • In questo caso l’elemento riscaldante è all’interno di un tubo la cui superficie è rivestita di ossidi di metalli quali il bario o lo stronzio. Il vantaggio di questi ultimi catodi è che possono lavorare a temperature di 1000 K e ciò ne prolunga la durata La sorgente di elettroni ad alta corrente che viene correntemente usata negli acceleratori lineari per elettroni è detta “Pierce gun” cannone di Pierce, dal nome del suo inventore. Alla sua uscita la sorgente di elettroni libera un fascio preaccelerato con energie delle decine di keV. L’ intensità di tali fasci può raggiungere l’ordine dell’ampere. Ciò dipende sia dalla divergenza angolare che dalle condizioni di operazione. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

44. SORGENTI DI IONI • Gli acceleratori di ioni sono usati per accelerare ioni di vari elementi sia positivi che negativi e con ionizzazione variabile. • In aggiunta ai requisiti richiesti per le sorgenti di elettroni, le sorgenti di ioni debbono avere un basso consumo di gas e in alcuni casi una facile intercambiabilita’ da gas a gas. Ci sono essenzialmente tre metodi per ottenere ioni di elementi che sono solidi per esempio ioni di metalli. Il primo consiste nell’evaporazione dell’elemento e successiva ionizzazione del vapore risultante. Il secondo metodo consiste nel bombardamento di una superficie solida con un fascio di alta energia. Sotto l’effetto del fascio sono emessi ioni di un dato elemento, positivi o negativi, dalla superficie fredda del metallo. Infine il terzo metodo consiste nell’utilizzazione del metodo Langmuir che consiste nell’evaporazione diretta di ioni da una superficie calda. In pratica ioni possono essere prodotti con il primo metodo irradiando con radiazione elettromagnetica (raggi x o ultravioletti) vapori di dati elementi. Il sistema più frequentemente usato nel campo degli acceleratori di particelle è quello basato sul secondo metodo. Se un elettrone di alta velocità interagisce con un atomo di idrogeno o qualche altro elemento, esso può strappare un elettrone da un livello energetico dell’atomo producendo uno ione per esempi H+. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

45. Il principio di funzionamento è illustrato nella figura. In questo caso un fascio di atomi non ionizzati si muove nella direzione orizzontale. Un fascio di elettroni di energia sufficientemente elevata interseca a 90º il fascio di atomi. I due fasci all’interno delle griglie poste a potenziali positivo e negativo interagiscono producendo elettroni liberi e atomi ionizzati della specie più numerosa. A causa della tensione applicata il fascio di elettroni viene deflesso verso il basso mentre il fascio di ioni va verso l’alto. La realizzazione di un simile dispositivo è rappresentata in figura. Il catodo k emette un fascio di elettroni. A causa della pressione bassa all’interno del dispositivo nell’urto vengono prodotti a mezzo di ionizzazione per collisione gli ioni, con esclusione degli altri effetti che potrebbero giocare un ruolo importante a più alte pressioni. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

46. Gli elettroni emessi dal catodo k entrano nella regione dell’anodo A attraverso la fenditura S1 e lasciano l’apparecchiatura attraverso la fenditura S2 raggiungendo la trappola per elettroni T. Questa trappola è connessa elettricamente con l’anodo. Nella parte di spazio nei pressi dell’anodo gli elettroni vengono accelerati a mezzo di un campo elettrico pari a 200 volt. Al momento dell’iniezione del gas di atomi neutri, essi sono ionizzati in ioni positivi. L’elettrodo R è positivo mentre la parte negativa è collegata con l’anodo. Ciò fa si che l’elettrodo fa azione di repulsione degli ioni e li dirige verso la fenditura dove trova la tensione Vp che accelera ulteriormente gli ioni. • Il gas o il vapore utilizzato provengono o da una bombola o da una fornace in cui viene fatta avvenire l’evaporazione. La direzione del flusso di gas è perpendicolare alla direzione del fascio di elettroni. I vapori tendono ad uscire dalle tre fenditure un sistema di pompaggio estrae il gas rapidamente in modo tale che lo stesso non possa pregiudicare il vuoto dell’acceleratore. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

47. La sorgente di ioni del secondo tipo “ion plasma source” è basata sul principio della ionizzazione per collisione. • Gli elettroni emessi da un catodo caldo producono un plasma sotto l’azione di una scarica elettrica. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

48. La camera che contiene il plasma ha una ionizzazione diretta del gas, oppure nel caso di ioni di elementi solidi un vapore a 800º dell’elemento viene iniettato nella camera a plasma. In quest’ultimo caso un consumo di 5 mg/h di sostanza è necessario. • Questo tipo di sorgente può produrre ioni di metalli quali lo Zn, Ag, Cd, Hg, Cu, Bi etc. • Alcune versioni di questo tipo di sistema ha una camera riscaldante fino a 3000ºC in tal caso vengono dette sorgenti calde. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

49. TARGHETTE PER ACCELERATORI • Una targhetta è un elemento soggetto al bombardamento di un fascio di particelle accelerate con lo scopo di indurre reazioni determinate. • Tali targhette sono divisibili in due gruppi. • Il primo consiste di targhette oggetto loro stesse di studi e il secondo di targhette necessarie alla produzione di fasci secondari. • Le prime possono essere fatte di qualsiasi materiale si voglia studiare e sono pertanto destinate al puro caso di ricerca. • Le seconde possono essere usate sia per ricerca che per altri scopi pratici. Per esempio targhette in un acceleratore di elettroni possono essere utilizzate per produrre fasci di raggi x, per sterilizzare, per radioterapia o per radiografie industriali. • Facendo solo riferimento allo stato del materiale le targhette possono essere solide, liquide o gassose. Le solide per esempio, possono essere costituite da un blocco, da una foglia o da un film sottile depositato su un supporto. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

50. Le targhette possono essere inserite all’interno di un acceleratore o costituire la parte terminale della camera da vuoto. La posizione dipende da vari fattori: tipo di materiale, specie di particelle prodotte, metodo usato per la rivelazione delle particelle. • Le targhette inserite all’interno delle camere da vuoto sono di solito resistenti alle alte temperature e alle radiazioni senza disturbare l’ultra alto vuoto. • Di solito queste targhette sono foglie o blocchi. • Targhette esterne vengono usate quando gli ioni sono sufficientemente energetici da oltrepassare le finestre da vuoto. • I requisiti di una targhetta dipendono fortemente dal tipo di misura si debba effettuare e comunque la sua qualità è decisiva nel successo di una misura. • Fra i parametri da menzionare ci sono la vita media, la purezza chimica e l’ omogeneità la resistenza alla pressione e al vuoto, la capacità termica, l’ uniformità dello spessore etc. FERDOS Dr. Adolfo Esposito