MODULO A: ACCELERATORI DI PARTICELLE

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE – LABORATORI NAZIONALI DI LEGNARO

STAGE DI FISICA EDIZIONE 2011

Paolo Matteo Simonetti

Benedetta Piva

Gianmarco Sarto

ISIS ‘’Galileo Galilei’’ - Belluno

Liceo Scientifico ‘’Carlo Cattaneo’’ – Monselice (PD)

Liceo Scientifico ‘’Duca degli Abruzzi’’– Treviso

CIO’ DI CUI PARLIAMO:

Acceleratori di particelle:-cosa sono-tipi di acceleratori-come sono strutturati-a cosa servono

Software ‘’Tracewin’’

Tecnologia del vuoto:-cos’è il vuoto-perché il vuoto-come si ottiene

Fasci di particelle:-cosa sono-come si comportano

ACCELERATORI DI PARTICELLE

L’acceleratore di particelle è una macchina in grado di accelerare particelle elettricamente cariche dette IONI.

Gli elementi principali di questa macchina sono:

-fonte di particelle (ioni)-camera a vuoto-dispositivo di focalizzazione -dispositivo di accelerazione-dispositivo di misura-bersaglio fisso (oppure un altro fascio)

TIPI DI ACCELERATORI

-elettrostatici

-a cavità risonanti

-circolari (ciclotroni e sincrotroni)

Sfruttano un campo elettrico costante nello spazio e nel tempo.

Il campo elettrico è variabile, ad alta frequenza.

Utilizza un magnete per mantenere in traiettoria lo ione.

PERCHE’ ACCELERIAMO PARTICELLE?

Vogliamo conoscere la struttura della materia

Non essendo possibile sbirciare all’interno del nucleo…

…spacchiamo tutto!

gli IONI

FASCI DI PARTICELLE

La sorgente produce un fascio con ioni ognuno lanciato con angolo divergente rispetto agli altri.

Il fascio tende a disgregarsi. Per evitare che questo accada si utilizzano combinazioni di magneti.

Che sfruttano il principio della forza di Lorentz mantenendo in traiettoria gli ioni

F = qv x B

Sfruttando una particolare combinazione della Forza di Lorentz, prodotta dagli elettromagneti del quadrupolo,

Otteniamo il FOCHEGGIAMENTO del fascio.

Ma tutto questo funziona solo in presenza di una particolare condizione… IL VUOTO!

TECNOLOGIA DEL VUOTO

Parliamo di vuoto quando la pressione all’interno di una cavità è minore alla pressione atmosferica (P<Patm).

Per il funzionamento di un acceleratore di particelle è necessario l’ultra alto vuoto, per evitare che gli ioni collidano, durante il loro tragitto, con le particelle costituenti l’aria o eventuali altri gas deviando il loro percorso.

L’ultra alto vuoto si raggiunge solo attraverso una serie di passaggi graduali. Per far ciò si utilizzano differenti tipi di pompe.

-pompe meccaniche (per il basso vuoto)-pompe turbomolecolari (per l’alto vuoto)-pompe criogeniche (per l’ultra alto vuoto)

Le POMPE MECCANICHE agiscono attraverso pistoni e palette per espellere il gas dopo averlo compresso

Le POMPE TURBOMOLECOLARI, ruotando ad alta velocità, catturano ad una ad una le molecole e le obbligano a seguire un certo percorso verso l’esterno.

Le POMPE CRIOGENICHE sono dotate di una punta fredda sulla quale si depositano (e vi rimangono) le molecole di gas residue.

Software TraceWin

Questo software nasce dalla necessità di spiegare il moto del fascio all’interno dell’acceleratore.Il fascio è un insieme di particelle cariche (ioni) le quali si muovono all’interno di una macchina chiamata acceleratore.

Per capire come si muovono gli ioni serve un modello ideale che descriva moto delle particelle.

La fisica coinvolta per capire il moto delle particelle sono le leggi della dinamica (F=m*a) e dell’elettro magnetismo (F=q(E+VxB))

Questo modello matematico può essere rappresentato da un ellisse che evolve nel tempo e nello spazio.

L’ellisse rappresenta la posizione del fascio e la sua direzione all’interno dell’acceleratore per ogni coordinata spaziale.

Quindi con tre ellissi si può mostrare il moto completo del fascio in X,Y,Z

L’ascissa mostra la larghezza del fascio mentre l’ordinata indica l’insieme delle direzioni delle particelle.

Comportamento fascio visto lateralmente

Avanzamento di fase dell’ellisse (TUBO) e avanzamento di fase dell’ellisse (QUADRUPOLO)

Cos’è TraceWin?Il software TraceWin permette di calcolare e vedere graficamente l’evoluzione del fascio tramite ellissi nell’acceleratore.

Il software calcola inoltre il moto di un insieme macro-particelle nell’acceleratore, ogni macro-particella raccoglie il moto di centinaia di migliaia di ioni

TraceWin è stato ideato dalla commissione per l’energia atomica francese (CEA)

Lo studio per la crezione del codice ha come fautore D. Uriot.

Perché si usa TraceWin?TraceWin viene utilizzato per comprendere il comportamento del fascio all’interno dell’acceleratore e per simulare i suoi comportamenti prima che questi siano verificati empiricamente.

Inoltre la sua applicazione è utilissima per la progettazione di nuovi acceleratori e le loro applicazioni nel futuro. Ad esempio: IFMIF, ESS, e altri ancora.

Come si utilizza TraceWin

Si descrivono le caratteristiche del fascio, ad esempio per una ellisse vengono indicati i semiassi e l’inclinazione

Vengono poi inseriti dei parametri che vengono tradotti graficamente.

Questa descrizione funziona anche per rappresentare l’insieme di particelle.

Gli elementi del fascio sono inseriti tramite parole come DRIFT per indicare un tubo di fascio e QUAD per un quadrupolo

Relazione tra esperimento e realtà

Il grafico mostra quante particelle in percentuale vengono perse lungo un LINAC (ALPI) e sono misure sperimentali.

Le linee rappresentano il risultato delle simulazioni, con ipotesi di diverse dispersioni di energia.

Potenzialità applicative di TraceWin

In conclusione l’utilizzo di questo software agevola il lavoro di fisici e ingegneri in quanto dà la possibilità di prevedere comportamenti e evoluzioni in vista di una migliore e più efficace ottimizzazione nella costruzione di acceleratori futuri accorciando notevolmente i tempi di ricerca.

GRAZIE PER

L’ATTENZIONE!!