Dipartimento di Fisicaa.a. 2004/2005

Fisica Medica 2

Acceleratori di particelle

21/3/2005

Spettrometro di massaMisura la massa di particelle, atomi e molecoleottenuta mediante annerimento di una lastra fotograficaMisura mediante registrazione intensità della corrente: spettrometro di massaUna corrente ionizza atomi del materiale (C)

vengono quindi accelerati da - V = VP - VCed immessi in una zona con campo B costante

Funzionamento

½ m v2 = e VF = q v B = e v B

F = m v2 / R

KP = KC + e (VC – VP) = e V

K = energia cineticam = e B2 R2 / 2 V

massa è funzione di B, V ed R (orbita dello ione)a B e V fissati RC = 10 cm, RX =11.56 cm ?

mX / mC = RX2 / RC

2 = (11.56)2 / 100 = 1.33mX = 1.33 mC mX = 1.33 • 12 = 16 uma Ossigeno!

UtilizzoBastano pochi ioni per impressionare la lastra fotografica

Si possono così distinguere le singole componenti di un determinato campione

Si sostituisce la lastra fotografica con un collettore di ioni amplificatoVariando B o V si ottiene, ad R fisso, una corrente variabile

campioni di droghe in urina di un paziente in coma

Potere risolutivo ∆m / m = 10-5 - 10-6

Acceleratori di particelleGli acceleratori di particelle possono essere lineari o circolari

Tubi di raggi X (Coolidge) 40-400 KVIn applicazione clinica:

Raggi X ad alta energia (acceleratore lineare o betatrone) 4-40 MVFasci e– (acceleratore lineare o betatrone) 6-50 MVFasci p (ciclotroni) 60-250 MV

Fasci n (ciclotroni) 60-250 MVFasci ioni (sincrotroni) 60-250 MV

Acceleratori elettrostaticiVan de GraafNastro isolante che scorre tra due puleggietrascinate da un motorePer attrito vengono formate coppie ione-elettrone

+

+

++

+

+++

+

++ ++

+

++

++

+ +++

fascio particelle

trasporto di caricaed accumulo in una sfera metallica isolata

sorgente

Cariche estratte: sorgente che produce un fascio fino a una decina di MV Tandem LNL 15 MV

Acceleratori lineari

particelle

tubo di drift

Nel LINAC (LINear ACcelerator) le particelle sono accelerate da un insieme di diaframmi ad iride posti a potenziale crescentesempre più spaziati

ovvero accelerate da una sequenza di elettrodi collegati

ad un generatore RF in fase

Linac

Accelerazione ottenuta con cavità a radiofrequenza

fascio tende a defocalizzarsi

CollimatoriLa collimazione viene ottenuta tramite lenti

magnetiche

sestupoli

quadrupoli

Ma occorrono ampi spazi (US!)

SLAC

Stanford LinearAccelerator Centre

Collaborazioni internazionali con coinvolgimento genovese: BaBar

Ciclotrone

tra le D vi è una d.d.p. (105 V) alternata, in fase

Semicilindri cavi “a forma di D” posti sotto vuoto ed immersi in un campo magnetico costante

R = m v / q B

La pulsazione è ω = v / R = q B /mindipendente da R

aumento del raggio R dell’orbita!

BetatroneGli elettroni (particelle β) si muovono in un’orbita circolare di raggio R costante in un tubo a vuoto a forma di ciambellaposta tra le espansioni polari di un magneteLegge di Faraday-Neumann

V = –dΦ / dt = d/dt (Bm π R2)= 2 π R Eindotto

Eindotto = ½ R dBm/dtove Bm è il campo magnetico medio

Ciclo betatroneGli elettroni accelerando aumenterebbero il raggio dell’orbita

Iniezione con B = 0ma anche B varia!

migliaia di rivoluzioniestrazione a B massimo

Perdite di energiasotto forma di radiazione elettromagnetica dovuta all’accelerazione centripetaemissione di luce di sincrotrone come UV, X e γ

SincrotronePermette di raggiungere energie dell’ordine del GeV

- Iniettore acceleratore elettrostatico

- Tubo a vuoto

+ linac

- Stabilità orbita tramite magneti focalizzanti

- Accelerazione tramite cavità risonanti a RF

- Estrazione tramite un magnete supplementareProtosincrotroneElettrosincrotrone

Trasporto fasci

Ottenuto sempre con radiofrequenze, magneti e quadrupoli/sestupoli focalizzanti

sotto alto vuoto!

Linac in medicina

Utilizzati per produrre elementi radiaottivi per la Medicina Nucleare

PET - SPECT

Direttamente in radioterapia per la cura dei tumori

SPSAcceleratori in cascata: Van der Graff + LINAC

riuscirono a creare un collider protone antiprotone

Super Proton Syncrotron

Da acceleratore a targhetta fissa Rubbia e

Van der Meer

rilevando per la prima volta i bosoni W± e Z0

LEP ed LHCLarge Electron Positron collider 10 milioni Z0!

validità del modello standard!

Quattro aree sperimentali

OPALL3

ALEPHDELPHI

…ed ora protoni/antiprotoni al posto di e–/e+ con il Large Hadron Collider