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Applicazioni degli acceleratori di particelle

Parte II

Corso di dottorato 2014

Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Introduzione

Gli acceleratori di particelle sono uno dei più versatili strumenti inventati dai fisici. Il primo acceleratore (il tubo a raggi catodici di Thomson) fu usato per scoprire l’elettrone. Il più grande Collider (LHC) ha permesso la rivelazione del bosone di Higgs.

Marisa Valdata Dottorato 2014 2


Al giorno d’oggi gli acceleratori sono usati in quasi ogni campo della fisica, dalla fisica delle particelle elementari alla fisica dello stato solido. Sono anche uno strumento essenziale in molti altri campi di ricerca, ad esempio per studiare strutture in chimica e biologia o per intraprendere un’analisi, molto sensibile, degli elementi. Il campo di applicazioni degli acceleratori si è inoltre notevolmente esteso con l’uso della luce di sincrotrone (acceleratori lineari circolari di elettroni)



Degli acceleratori sono espressamente dedicati all’analisi chimico fisica di campioni di interesse culturale, artistico e museale, per l’esame dei materiali costituenti. Ad esempio abbiamo l’ AGLAE al Louvre di Parigi, il LABEC a Firenze, il CEDAD a Lecce ed il CIRCE a Caserta.



Fra le applicazioni industriali possiamo ricordare l’impiantazione di ioni nell’industria dei semiconduttori e la modifica delle proprietà superficiali di molti materiali. Altra applicazione industriale è la microlitografia con radiazione di sincrotrone per circuiti elettronici integrati ad alta densità.



La radiazione prodotta da acceleratori è usata per conservare alimenti, sterilizzare rifiuti tossici o polimerizzare plastici. Piccoli acceleratori molto compatti sono utilizzati per produrre neutroni, da usarsi ad esempio negli aereoporti per rilevare esplosivi o in geofisica per lo studio di materiali (ad esempio cercare petrolio)



Applicazione degli acceleratori di particelle

• Applicazioni nella ricerca: fisica subnucleare, fisica nucleare, cosmologia ed astrofisica, fisica atomica, scienza dei materiali, chimica e biologia.

• Analisi degli elementi e datazione dei reperti. • Medicina: diagnosi e terapia. • Applicazioni industriali (cenni).

Il numero approssimato di acceleratori di energia > 1 MeV è indicato nella prossima slide.


Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Ricerca

Particelle elementari. Lo sviluppo della fisica delle particelle elementari è stata direttamente determinata dai progressi nel costruire acceleratori ed anelli di collisione di energia sempre maggiore. Ricordiamo che la scoperta dell’ antiprotone è avvenuta utilizzando il Bevatrone di Berkeley a metà degli anni 50, 2 tipi di neutrini sono stati trovati con l’ AGS di Brookhaven all’inizio degli anni 60, le correnti neutre con il PS del CERN, la Ψ con l’ AGS e l’ acceleratore lineare di Stanford negli anni 70. Negli anni 90 si sono rivelati il W e lo Z e stabilito che esistono 3 tipi di neutrini e «dulcis in fundo» il bosone di Higgs è stato visto ad LHC nel 2012. Perugia collabora all’esperimento CMS ad LHC (Higgs, supersimmetrie …) e ad NA62 per la ricerca di decadimenti rari del mesone K e Belle II per la fisica del mesone B.



Fisica Nucleare. Gli acceleratori sono uno strumento essenziale per studiare il nucleo e determinare la sua struttura e comportamento. A seconda delle proprietà sotto studio si usano fasci di elettroni, protoni od ioni pesanti. Tempo fa la ricerca in fisica nucleare è stata dedicata allo studio di singoli nuclei alla loro spettroscopia ed ai loro stati eccitati. Più recentemente si studiano nuclei con altissimo momento angolare o nuclei esotici prodotti facilmente ad Isolde al CERN o GANIL in Francia. Macchine ad ioni pesanti quali il RHIC a Brookhaven o anche LHC in alcuni run speciali sono usate ad esempio per lo studio di quark-gluon plasma .



Cosmologia ed astrofisica. Gli acceleratori stanno diventando sempre più complementari ai telescopi. L’ universo è nato con il Big Bang. La temperatura dell’universo è diminuita nel tempo e l’energia sempre più elevata degli acceleratori ed anelli di collisione permette ai fisici di studiare processi avvenuti poco dopo l’origine dell’universo. Temperature equivalenti ad un’energia di 100 GeV corrispondono alle temperature dell’universo 10-10 s dalla sua origine. Risultati ottenuti con acceleratori hanno permesso di spiegare osservazioni cosmiche come il rapporto idrogeno/elio e di determinare il numero delle famiglie di neutrini. Gli acceleratori sono importanti anche per l’astrofisica. Ad esempio per spiegare la nucleo-sintesi nelle stelle bisogna conoscere sia il rate che le sezioni d’urto delle reazioni nucleari.



Fisica Atomica. Lo studio dettagliato dei sistemi atomici ed ionici (sistemi a molte particelle) è sempre molto studiato anche se forse il numero di acceleratori di ioni positivi di energie al di sotto di 35 MeV è diminuito dagli 850 che esistevano nei primi anni 70. Ad esempio si studiano : • Meccanismi di collisioni atomiche e processi di ionizzazione • Correlazioni in collisioni atomiche • Atomi molto eccitati prodotti in collisioni atomiche • Raggi X prodotti da collisioni di ioni relativistici • Studio di ipni molecolari • Emissione di elettroni da targhette sottili colpite da ioni veloci • ….. E molti altri processi



Fisica dello stato solido e scienza dei materiali. La fisica dello stato solido e la scienza dei materiali hanno ricevuto un grosso impulso con l’avvento degli acceleratori. Di primaria importanza sono gli acceleratori per elettroni che producono radiazione di sincrotrone ad alta brillanza e regolabile in frequenza. Gli acceleratori ( per protoni) vengono anche fortemente utilizzati come sorgente di neutroni di spallazione ad alta intensità e prodotti pulsati (Burst). I neutroni così prodotti hanno sostituito i neutroni da reattori nucleari. Gli acceleratori sono pure usati per accelerare ioni positivi.



Fisica dello stato solido e scienza dei materiali. (continua) La luce di sincrotrone e la possibilità di selezionarla in frequenza rende

possibile lo studio degli arrangiamenti atomici di molti solidi quali cristalli, vetri ed altri materiali amorfi, polimeri, strati superficiali di materiali, film sottili etc. Per lo studio si sfrutta il fatto che ogni elemento ha dei picchi di assorbimento ad una determinata frequenza. Questa tecnica è chiamata EXAFS ( Extended X-Ray Absorption Fine Structure ).



Fisica dello stato solido e scienza dei materiali (continua) I neutroni, neutri e molto penetranti sono delle sonde eccellenti per lo studio

della materia condensata. La diffusione di neutroni su un campione ha reso possibile capire i legami di metalli, semiconduttori ed isolanti. Protoni di energia relativamente alta (500 MeV, 1 GeV) diffusi su un bersaglio producono pacchetti di neutroni di spallazione molto più intensi dei fasci di neutroni prodotti da reattori nucleari. Inoltre, la struttura temporale (a burst) del fascio riduce considerevolmente il fondo. I neutroni di spallazione sono complementari alla luce di sincrotrone in studi di cristallografia, di liquidi e materiali amorfi, superfici e superfici di separazione (aria-liquido, liquido-liquido e liquido-solido), polimeri, film sottili etc.



Fisica dello stato solido e scienza dei materiali (continua) Fasci di ioni sono utilizzati in molti processi per determinare la

composizione dei campioni. Le tecniche principali sono: • RBS (Rutherford Backscattering) • PIXE (Proton Induced X-ray Emission) • CPAA (Charged Particle Activation Analysis) e NRA (Nuclear Reaction

Analysis) • SIMS (Secondary Ionisation Mass Spectrometry ) • PDMS ( Particle Desorption Mass Spectroscopy)



Fisica dello stato solido e scienza dei materiali (continua) Gli acceleratori vengono anche usati per fare la spettroscopia del

campione (AMS = Accelerator Mass Spectrometry). Il campione viene ionizzato, accelerato ed i componenti analizzati tramite spettrometria. E’ un processo molto più sensibile del SIMS (secondary ionization).

Un’ altra applicazione degli acceleratori in scienza dei materiali è lo studio del danno da radiazione.



Chimica e Biologia. La luce di sincrotrone permette di studiare l’ossidazione delle molecole, i legami chimici nei solidi e nei gas, la struttura di molecole complesse e la dinamica di reazioni chimiche. La luce di sincrotrone è anche usata per la cristallografia delle proteine.




Nei moderni sincrotroni la diffrazione viene principalmente usata per lo studio di strutture proteiche

molti atomi per cella unitaria - poche celle unitarie - cristalli piccolissimi – basso Z

Modalita’ alla Laue: si raccoglie lo spettro contemporaneamente per molti valori di λ – λ compreso tra due valori.

Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Beni culturali

Le tecniche indicate per la ricerca nella scienza dei materiali sono attualmente molto utilizzate nei beni culturali, per la datazione delle opere e per lo studio del loro stato di salute. Una tecnica ben nota da tempo è la datazione utilizzando la tecnica AMS (Accelerator Mass Spectrometry) . Questa tecnica che accelera un campione del materiale da datare ha un’ottima sensibilità per misurare la quantità di 14C nel campione. Si riesce tra l’altro a distinguere il 14C dal 14N che è stabile. (di conseguenza si usa meno materiale) In maniera particolare è utilizzata l’analisi con fasci di ioni (IBA). Di seguito daremo solo alcuni cenni rimandando alle presentazioni più specialistiche che potete trovare sul web come indicato nella bibliografia. Marisa Valdata Dottorato 2014 22


Bibliografia parte II (Beni culturali) 1. Analisi dei materiali (trasparenze): cas.web.cern.ch/cas/Holland/PDF-

lectures/Denker/denker.pdf e articolo cds.cern.ch/record/1005070/files/p417.pdf

2. Mandò Beni culturali http://www.fe.infn.it/venerdi/VENERDIHOME_file/pdf10/Mand%F2.pdf

3. Analisi non invasive http://www.brera.unimi.it/istituto/archeo/download/Analisi_non_invasive.ppt

4. Ion beam Tecniques ICARO-2011


http://www.fe.infn.it/venerdi/VENERDIHOME_file/pdf10/Mand%F2.pdfhttp://www.brera.unimi.it/istituto/archeo/download/Analisi_non_invasive.ppthttp://www.brera.unimi.it/istituto/archeo/download/Analisi_non_invasive.ppt


CEDAD



CIRCE Nell'ambito della partecipazione della SUN al consorzio INNOVA è attivo il Center for Isotopic Research on the Cultural and Environmental heritage, dotato tra l'altro di un sistema di Spettrometria di Massa Ultrasensibile con Acceleratore (AMS) basato su un acceleratore elettrostatico tandem da 3 milioni di Volt al terminale, installato nel 2005. Il sistema è utilizzato per ricerche nel campo dell'astrofisica nucleare, dei cambiamenti climatici globali, dell'archeologia, delle salvaguardie nucleari contro il traffico illecito di combustibile nucleare, dell'impiantazione di radionuclidi per il monitoraggio dell'usura sub-micrometrica. Il sistema AMS è utilizzato anche per attività di servizio di datazioni radiocarboniche di reperti archeologici e per applicazioni forensi e come supporto all'attività didattica del Corso di Laurea in Fisica.



The main equipment of LABEC is a Tandem accelerator, 3 MV terminal voltage, which has been constructed by High Voltage Engineering Europe. The accelerator is equipped with three independent ion sources, one of which (a multiple-sample Cs-sputter source) is dedicated to measurements of Accelerator Mass Spectrometry (AMS); the other two sources (a single-sample Cs-sputtering and a Duoplasmatron) are instead used to produce all kinds of beams (from protons to heavy ions) mainly for applications of Ion Beam Analysis (IBA), but also for other purposes such as studies of radiation damage to materials exposed to accurately controlled doses (even very weak), tests of radiation detectors responses, etc.



The high energy side of the accelerator is equipped with a multi-element detection line for AMS, designed to perform the detection of the rare isotopes 14C, 10Be, 26Al and 129I (for these measurements, the multi-sample Cs sputter source is correspondingly used on the low energy side of the accelerator). As far as AMS is concerned, we are presently active with just 14C measurements, basically in connection with problems of dating of archaeological finds; in the future, the possibility of measuring 129I for environmental monitoring and 10Be for geological dating will be the next steps in the development of the AMS potentials of LABEC. In alternative to AMS, we can operate the accelerator (using one of the other two ion sources mentioned above) to produce beams of protons, alpha particles, or any other kind of ions, and perform Ion Beam Analysis, i.e. determine the composition of a material - used as a target - exploiting the interaction products of the beam with the atoms or nuclei of the material itself. We can perform all IBA techniques, i.e. PIXE (Particle-Induced X ray Emission), PIGE (Particle-Induced Gamma ray Emission), PESA (Particle Elastic Scattering Analysis, in particular Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS), NRA (Nuclear Reaction Analysis).



Four independent beamlines are already active (as to May 2008) for these measurements, one more will be completed in the future. The peculiarity of most IBA set-ups installed at LABEC is that we use an external beam, which is a great advantage especially in the field of applications to the Cultural Heritage: the precious works can be analysed in their "natural" environment, i.e. they have not to undergo the stress of being placed in vacuum (which might produce serious damage) and the ease of operation during the measurement is much improved. One of the external beam setups is in addition a microbeam, down to 10 um size, with possibility to perform beam scanning on the analysed sample in order to reconstruct maps of elemental distribution over the scanned area through IBA. In particular, micro-PIXE maps can provide elemental distributions of even trace elements in the sample.




Labec



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