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Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle
Un 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.
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Sorgenti
Una sorgente di particelle consiste in:
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Sorgenti 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.)
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti di elettroni
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Sorgenti 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)
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Sorgenti di ioni
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.
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Sorgenti di ioni
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Sorgenti di ioni
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Sorgenti di ioni leggeri
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Sorgenti 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
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Sorgenti di ioni leggeri
Duoplasmatron del CERN
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Sorgenti di ioni leggeri
•
•
•
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)
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Sorgenti di ioni
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Sorgenti
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.
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Sorgenti
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Sorgenti
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Sorgenti
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Sorgenti
Positroni
Gli e+ usati nei collider e+e- sono prodotti o tramite produzione di
coppie (da fotoni) o tramite un decadimento radioattivo.
Antiprotoni
Gli p̄ sono prodotti inviando un fascio di p su una targhetta.
Gli p̄ prodotti sono pochi ed è quindi necessario accumularli (in
un anello di accumulazione)
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Acceleratori
Come abbiamo accennato gli acceleratori al giorno d’oggi hanno svariate applicazioni
 le energie delle particelle accelerate variano da pochi KeV a (molti) TeV
Comunque 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 lineari
o Acceleratori circolari




Ciclotroni
Betatroni
Sincrotroni
Anelli di collisione
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Acceleratori a corrente continua
Campi elettrostatici (A=0)
Per accelerare ragionevolmente delle particelle con campi elettrici costanti abbiamo
bisogno di forti campi elettrici.
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Acceleratori a corrente continua
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Acceleratori a corrente continua
Converte basso voltaggio in alto voltaggio.
Nel primo semiciclo (negativo) del voltaggio il condensatore si carica, perché il
diodo conduce.
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Acceleratori a corrente continua
Nel semiciclo positivo sia la scarica del primo condensatore che il
generatore caricano il secondo diodo con una carica doppia della
precedente.
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Acceleratori a corrente continua
Idealmente il voltaggio finale V è pari a 2 volte il
voltaggio V0 del generatore moltiplicato per il
numero di stadi:
V=nx2V0
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Acceleratori a corrente continua
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.
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Acceleratori a corrente continua
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Acceleratori a corrente continua
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Acceleratori a corrente continua
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.
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Acceleratori a corrente continua
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Acceleratori a corrente continua
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.
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Acceleratori a corrente continua
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)
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Acceleratori a corrente continua
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Acceleratori a corrente alternata
Campi variabili nel tempo
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Acceleratori a corrente alternata
Circuiti risonanti: cavità a radiofrequenza
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Acceleratori 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)
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Acceleratori lineari
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
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Acceleratori lineari
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.
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Acceleratori lineari
• SLAC ed il LINAC
•
(2 miglia)
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Acceleratori lineari
•
•
•
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LINAC 2
CERN
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Acceleratori lineari
7 MeV proton linac for short lived isotopes
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Acceleratori lineari
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Acceleratori lineari
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