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Il sistema magnete-alimentatoredegli acceleratori Tandem, Alpi e Piave

M.F.Moisio – INFN Laboratori Nazionali di Legnaro6 maggio 2010

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Cosa vogliamo ?• Trasportare un fascio di ioni in una determinata postazione sperimentale

Caratteristiche del fascio :– energia– intensità – dimensioni trasverse– rapporto carica/massa

Cosa dobbiamo fare ?

• Contenere il fascio entro determinate dimensioni in modo da limitarne le perdite durante il trasporto

• Trasportare il fascio alla postazione sperimentale con un percorso che raramente è rettilineo• “Far passare” solo la parte di fascio con l’energia desiderata• Misurare il valore di energia del fascio dopo l’accelerazione (vari metodi)

Cosa è un fascio di ioni?insieme di particelle cariche (carica dello stesso segno), ciascuna con moto prevalente in una certa direzione (hanno

subito un’accelerazione), ma posizioni, direzioni e velocità diverseIl fascio in un tratto libero (drift) diverge e prosegue in una traiettoria rettilinea lungo la direzione prevalente

Beam line

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Come faccio a modificare la traiettoria di una (o più) particella carica?Posso utilizzare dei campi elettrici o dei campi magnetici.

Forza di Lorentz:

A) Usando solo campi elettrici

)()( BvqEqBvEqF

×+=×+=

EqF =La forza ha la stessa direzione del campo elettrico applicato ed ha intensità proporzionale a quella del campo elettrico applicato e alla carica della particella stessa.Una particella uguale subisce una deflessione tanto più piccola quanto maggiore è la sua velocità (energia)Più alte sono le energie, maggiori campi elettrici si devono usare: LIMITE !!!

tan α = q E L / ( m v02)

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B) Usando solo un campo magnetico:

• Se il campo magnetico è unidirezionale:

– se B è parallelo a v: F = 0

– se B è perpendicolare a v: F = q v B

)( BvqF

×=

B

vF=q(vxB) L’accelerazione impressa è centripeta

la forza magnetica F è perpendicolare alla velocitàil lavoro della forza magnetica è nullo e quindi non modifica la energia cinetica della particella

cambia la direzione della velocità senza cambiarne il modulo

Moto circolare uniforme

F = m v2 / ρ = q v B

B ρ = m v /q rigidità magnetica della particella

ρ: raggio di curvaturaTandem, Alpi, Piave: (Bρ)max = 3,3 Tm

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Come si produce un campo magnetico?“Una corrente elettrica produce un campo magnetico nello spazio che la circonda”

(Oersted 1820)

Se ho una corrente rettilinea molto lunga nel vuoto:

θπµ uB R) (2 / Ι = 0

Il campo magnetico è inversamente proporzionale alla distanza R e le linee di forza sono cerchi perpendicolari ad esso

µ0 :permeabilità magnetica del vuoto

Come faccio ad avere campi magnetici con determinate caratteristichein zone ben delimitate ?

“Creo” dei percorsi “preferenziali” per il flusso magnetico

Materiale ferromagnetico

Dipolo a C (1/2 sezione trasversale)

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HHB r µµµ = = 0

H

Materiali ferromagnetici

Br : induzione residua:

Hr : forza coercitiva:

induzione magnetica [T] 1 T = 10000 Gauss

Campo magnetico [A/m]

Permeabilità magnetica assoluta (dipende dalla natura del mezzo in cui si trova il campo magnetico)[H/m]

µ0 :permeabilità magnetica del vuoto= 4 π 10-7 ~ 1,256 10-6 H/m

rµµµ = 0

ferro dolce C max 0,1 %Si < 0,1-0,5 % B max circa 2 T

funzionamento in corrente continua no lamierini

Magneti Tandem, Alpi e Piave:

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Come faccio a “curvare” un fascio ?Devo usare un campo magnetico perpendicolare al moto della particella stessa

DIPOLI

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009

Elettromagneti normalconduttivi

t

Elettromagneti superconduttiviA magneti permanenti

DC

AC

Tandem-Alpi-Piave:solo magneti DC

48,48 (B ρ) 2 = mE / Q2 [MeV Amu ]prodotto del magnete

m : massa della particella [Amu]E : energia della particella [MeV]Q: stato di carica della particella [Amu]B: “campo magnetico” [T]

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Amperspire totali (NI)tot = Bo g / µo (+ 10 -15 % per tener conto del ferro)

Ad H:

Ad O

A C

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009

Nucleo ferromagnetico

LNL: Ca max 0,1 %Si < 0,1-0,5 % B max circa 2 T

Cu

ID1: nucleo magnetico

α: angolo di deflessioneρ: raggio di curvatura

g : altezza traferro

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Lungh magnetica ~ L meccanica nucleo ferromagnetico + g

- Profili Rogoswky o approssimati tali-Studi 3D - aggiustamenti in base alle misure-……..

Nella zona di campo buono: uniformità ∆B / Bo < 10-4 -Larghezza del polo-Posizione delle bobine-Tip……….

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009

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Direzione del fascio perpendicolare alle facce di ingresso e di uscita dei poli

Direzione del fascio perpendicolare alle facce di ingresso e di uscita dei poli

ε ε

90°

ε

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Nei dipoli particelle con energie diverse vengono deviate su traiettorie distinte

I dipoli possono essere utilizzati come ANALIZZATORI DI ENERGIA

A.Dainelli – INFN LNL – Corso Acceleratori LNL – Legnaro 7-10 gennaio 2003

48,48 (B ρ) 2 = mE / Q2 [MeV Amu]

I dipoli possono essere utilizzati per la MISURA DI ENERGIA

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STEERER

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009

Lenti dipolari a basso campo magnetico

Servono per effettuare piccole deviazioni (angoli) del fascio

Steerer verticale

Steerer orizzontale

Dipoli “speciali”

DIPOLO DI SWITCHING

dipolo con un ingresso e più uscite per distribuire il fascio in più canali. Variando il “campo magnetico” nel traferro, scegli il canale da utilizzare

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Come faccio a focalizzare un fascio ?

QUADRUPOLI

Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009

Elettromagneti superconduttiviA magneti permanenti

Elettromagneti normalconduttivi

DC

AC

Tandem-Alpi-Piave:solo magneti DC

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Amperspire per polo (NI)p = G R2/ ( 2 µo ) (+ 10 -15 % per tener conto del ferro)

G: gradiente di campo [T/m]

Lungh magnetica ~ 1,1 Lunghezza meccanica nucleo ferromagnetico (> 2R per problemi di effetti di bordo)

Espansioni polari non iperboliche distribuzione di campo non perfettaDifetti di costruzione (accettabile entro certi limiti)…….

y

Se il fascio esce dal foglio

La forza di richiamo è proporzionale allo scostamento dal centro ma opposta nei due piani.

-G xG y

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A varie distanze dall’asse centrale le particelle, che hanno tutte la stessa massa, la stessa carica e lo stesso momento, vedono campi magnetici diversi (B= G d) e quindi seguono traiettorie con raggi di curvatura diversi.

Anche gli angoli di deflessione sono diversi.

Singletto di quadrupolo: 1 lente quadrupolareA seconda delle polarità, il fascio è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro.

Doppietto di quadrupolo: 2 singletti uguali (con polarità opposte) separati tra loroGeneralmete i valori di campo nelle due lenti sono uguali, salvo piccoli bilanciamentiA seconda delle polarità, il fascio è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro.Il fascio nella prima lente è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro e ad azione contraria nella seconda lente.

Tripletto di quadrupolo: 3 singletti (con polarità opposte) separati tra loroGeneralmente il singletto centrale è più lungo dei due laterali (fra loro uguali) ed i valori di campo nelle due lenti esterne sono uguali,

Tripletti ALPI

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Per tutti gli elettromagneti normalconduttivi

Raffreddamento

Raffreddamento delle bobine: - aria (convezione naturale) steerer LNL- olio un magnete al CN- raffreddamento diretto ad acqua

Tandem, Alpi, Piave: Raffreddamento diretto ad acqua

-Densità di corrente max ~ 10 A/mm2

-Conduttori rettangolari o quadrati (LNL) in rame con condotto centraleper l’acqua di raffreddamento

-Isolamento spira-spira e isolamento bobina-massa: resina epossidica

-Regime turbolento

In ciascuna lente: bobine raffreddate in parallelo

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ALIMENTATORI

DIPOLI Amperspire totali (NI)tot = Bo g / µo

QUADRUPOLI Amperspire per polo (NI)p = G R2/ ( 2 µo )

Il campo magnetico dipende dalla corrente.

La corrente, una volta impostata, dev’essere stabile in modo da fornire un campo magnetico stabile, indipendentemente dalle variazioni della resistenza degli avvolgimenti

→ Gli alimentatori dei magneti devono essere dei generatori di corrente.

Tandem - Alpi – Piave:

Dipoli: classe di stabilità: 1 ppmderiva: 30 min + 1 ppm

3 ore <+ 1 ppm

Quadrupoli: classe di stabilità: 10 ppmderiva: 30 min + 3 ppm

3 ore <+ 10 ppm

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Alimentatore stabilizzato di tipo lineare monofase:

Trasformatore: - “adatta” la tensione - isolamento elettrico tra alimentatore e rete

Raddrizzatore: trasforma la tensione da alternata a unidirezionale

Filtro capacitivo: “livella” la tensione pur mantenendo un ripple significativo

Circuito stabilizzatore: stabilizza la corrente di uscita tramite un anello a retroazione (confronto tra corrente di uscita e corrente di riferimentoe conseguente correzione relativa)

Tandem – Alpi – PIAVE:

1 dipolo: 1 alimentatore (bobina superiore ed inferiore alimentate in serie)

1 singletto: 1 alimentatore (bobine alimentate in serie, rispettando le polarità)

1 doppietto: ogni lente ha il proprio alimentatore

1 tripletto: 1 alimentatore per la lente centrale1 alimentatore per le due lenti laterali, alimentate in serie

I dc

irif

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AlimentatoreLente quadripolareALPI

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Come misuro l’induzione magnetica (campo magnetico)?

Tandem, Alpi, Piave- Misuratori NMR - Misuratori a sonda di Hall

Perché non ricavo il valore del campo magnetico dalla misura della corrente?Perché, a causa della isteresi, ad un valore di corrente di magnetizzazione corrisponde più di un valore di induzione

Misuratori NMRRisoluzione 10-7 T = 1 mG (1 Hz)

Si basano sul principio che un atomo di idrogeno (1H),se immerso in un campo magnetico statico B e in un campo magnetico alternato (RF) tra loro perpendicolari,si “eccita” (transizione a stati di energia diversi), e perciò assorbe energia dal campo RF, a una determinata frequenza:

f = k Bdove, per 1H: k = 42,57608 MHz/T

Dalla rilevazione delle f in cui avviene tale fenomeno, ricavo il valoredi B

Si usano nei magneti analizzatori

Tandem, Alpi, Piave: ID0-ID1-PD3-MD1-MD2-MD3-MD4-FD2

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Misuratori a sonda di Hall• Risoluzione ~ 0,1 G (10-5 T) nei misuratori più nuovi (e costosi): ~ 0,01 G

• Range 0 – 3 T

• Sonda di Hall: piastra conduttrice percorsa da corrente elettrica Se la immergo in un campo magnetico perpendicolare alla piastra, appare una differenza di potenziale tra i punti opposti ai bordi della

piastra.Tale ddp è proporzionale al valore della componente perpendicolare del campo magnetico

F.Cervellera – LNL INFN – Corso sulle macchine acceleratrici – 7.10 gennaio 2003

Tandem, Alpi, Piave: quando uso il misuratore a sonda di Hall?

Quando devo azzerare l’induzione (campo magnetico) in un magnete.

ID0-TD1-PD4-FD1-AD2-TD4-TD6: in certe configurazioni di fascio, devono essere “trasparenti” rispetto al fascio che li attraversa

Come faccio ad azzerare il campo?Cicli di isteresi di ampiezza sempre più ridotta, fino a ridurre il più possibile l’induzione residua(Alimentatori con inversione di polarità)

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Come controllo i magneti ?

Linea Tandem – Sale Sperimentali 1-2– Gli alimentatori sono negli scantinati Tandem– In console Tandem ci sono i pannelli di controllo di tutti gli alimentatori delle lenti

Alpi- Piave – Terza Sala Sperimentale– gli alimentatori sono posizionati lungo le linee di fascio– portando in loco ed utilizzando il pannello di controllo, si può comandare “in locale” ciascun alimentatore delle lenti magnetiche, ad eccezione di quelli degli steerer ALPI – tutti gli alimentatori e i misuratori NMR sono visualizzati “in remoto” da computer in consoleTandem-ALPI (RS422)

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Ad ogni configurazione di fascio corrisponde un file che visualizza i magneti interessati al trasporto:

Fascio Tandem-Alpi-Sale Sp.1-2

Cliccando su un rettangolo con il nome di una lente appare la schermata relativa agli alimentatori della lente stessa:

Rettangoli con nomi di lenti:Verde: ps ONBianco: ps OFF Rosso: allarmeGiallo: un ps OFF e un ps ON (tripletti,….)Nero: non c’è comunicazione

Se c’è lo steerer e se è acceso (cornice azzurra nel sinottico):

Misuratore NMR:

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Magneti ALPI: un po’ di storia ……

L’arrivo del primo magnete