Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Un acceleratore tipo

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 1

Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti

Una sorgente di particelle consiste in:


Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleSorgenti di elettroni

Si scalda un filo e si hanno gli elettroni.Si mette un campo elettrico (condensatore) e si ha il primo acceleratore

Tubo a raggi catodici (vecchio televisore oscillografo video etc.)


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)



Accennerò a tre tipi di sorgenti: Plasmatron per produrre protoni, deuteroni e talvolta

ioni di He. Sorgente PIG per ioni leggeri (penning ionization) Sorgente ECR per ioni pesanti (electron cyclotron

resonance) 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.


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 expansion cup situata dopo l’anodo.Il plasma è denso e fortemente ionizzato, gli ioni positivi vengono estratti tramite un buco nell’anodo



Duoplasmatron del CERN



• Alta densità di corrente >1Acm-2

• Basso rumore• Non funziona senza Cs

PIG (Penning Ionization Gauge)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)



Sorgente ECR (Electron Cyclotron Resonance)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.



PositroniGli e+ usati nei collider e+e- sono prodotti o tramite produzione di coppie (da fotoni) o tramite un decadimento radioattivo.

AntiprotoniGli p sono prodotti inviando un fascio di p su una targhetta.̄Gli prodotti sono pochi ed è quindi necessario accumularli (in p̄un anello di accumulazione)


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) TeVComunque 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

o Acceleratori lineario Acceleratori circolari

Ciclotroni Betatroni Sincrotroni Anelli di collisione


Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente continua

Campi elettrostatici (A=0)Per accelerare ragionevolmente delle particelle con campi elettrici costanti abbiamo bisogno di forti campi elettrici.



Converte basso voltaggio in alto voltaggio.Nel primo semiciclo (negativo) del voltaggio il condensatore si carica, perché il diodo conduce.



Nel semiciclo positivo sia la scarica del primo condensatore che il generatore caricano il secondo diodo con una carica doppia della precedente.



Idealmente il voltaggio finale V è pari a 2 volte il voltaggio V0 del generatore moltiplicato per il numero di stadi:

V=nx2V0



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.



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 der Graaf 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.




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.


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)


Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente alternata


Campi variabili nel tempo

Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori a corrente alternata


Circuiti risonanti: cavità a radiofrequenza

Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAcceleratori lineari

Acceleratori lineari (LINAC= linear particle accelerator)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)



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



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.



• SLAC ed il LINAC• (2 miglia)



•

• LINAC 2• CERN



7 MeV proton linac for short lived isotopes


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