Acceleratori di Particelle

acceleratore si arriva in Italia, nel laboratorio di Frascati, all’energia record negli anni 50, di

1GeV. Sfruttando questo progetto si pensò di far collidere non più un fascio di particelle con un

taget fisso, ma con un altro fascio di particelle dotato di una certa energia cinetica così da

aumentare l’intensità dell’urto (i così detti Con lo stesso principio funzionava anche

“collider”).

il “Lep” a Ginevra che presentava un anello di ben 27 kilometri di diametro, anello che fa ora da

base per l’acceleratore più potente mai costruito che arriverà all’energia di ben 7 TeV chiamato

LHC, che entrerà in funzione probabilmente nell’autunno 2008.

Definizione e descrizione acceleratore di particelle

Un acceleratore di particelle è una macchina in grado di aumentare l’energia di una particella

al fine di farla scontrare contro un bersaglio detto comunemente “target” per studiare i

frammenti prodotti dallo scontro.

Campi di impiego di un acceleratore di particelle sono:

Ricerca in fisica nucleare fondamentale delle particelle e dei nuclei a bassa energia

 Ricerche interdisciplinari (fisica nucleare applicata alla biologia, medicina, analisi dei

 materiali)

Nel centro di ricerca di fisica nucleare di Legnaro sono presenti diversi modelli di acceleratori

che possono essere divisi in due classi:

a) “acceleratori sul modello dell’acceleratore ideato da Van de

a campo elettrico statico”, 7 MeV),

Graaf. Ne fanno parte il CN impiegato negli studi di radiobiologia ( l’AN2000

MeV) XTU

impiegato nello studio dei materiali e della fisica allo stato solido (2.5 e

Tandem.

b) “ sviluppati secondo il

acceleratori a campo elettrico variabile a radiofrequenza”,

LINAC.

modello Ne fanno parte l’acceleratore a cavità super conduttive “Alpi” e

l’acceleratore a quadrupolo superconduttivo “Piave”.

Schema di funzionamento dell’acceleratore a campo elettrico statico di Van de Graff

L’acceleratore di ioni positivi di H+, He+, N+ ideato da Van de Graaf ha un principio di

funzionamento schematizzabile in questi punti: MC

1. La cinghia isolante (ladderton) in movimento, formata da acciaio,alluminio e (2)

911

,sfruttando un principio di strofinio simile all’accumulazione di cariche prodotte dallo

strofinio della lana, è in grado di strappare e trasportare dall’alimentatore cariche + fino alla

cupola metallica (4).

2. Nella cupola metallica (4) otteniamo dunque un accumulo di cariche +, pertanto avremo una

differenza di potenziale tra la cupola e il luogo dove è situato il target (7), che viene posto a

massa alla fine del tubo di accelerazione.

3. All’inizio del tubo acceleratore (5) avviene la ionizzazione delle particelle di gas da

accelerare causata dall’urto con elettroni liberati da un filamento incandescente.

4. Non appena la particella viene ionizzata positivamente risente di una forza di repulsione

data dalle cariche positive accumulate nella cupola metallica, e riceve un incremento di

energia pari a E =q x ΔV dove q è la carica della particella e ΔV e la differenza di

fin

potenziale agli estremi del tubo acceleratore.

5. La particella accelerata viene fatta scontrare contro un target, ovvero un campione di un

altro elemento, e ne vengono studiati i frammenti tramite dei rilevatori.

Parametri variabili e limiti della macchina. ͉

E =q x V

Come già detto questo tipo di acceleratore fornisce un’energia finale pari a poiché ci

fin ∆

troviamo all’interno di un sistema conservativo per calcolare il lavoro è sufficiente sapere il V

tra i due estremi del tubo acceleratore. Quindi per migliorare le prestazioni possiamo intervenire

q V.

su o I limiti che bloccano l’evoluzione di questo tipo di acceleratore sono legati ai seguenti

parametri: ∆

1. Non è possibile aumentare all’infinito il poiché sopra un certo limite la cupola in

V

metallo “scarica”, cioè le cariche + “saltano” nella parte più esterna di rivestimento

dell’acceleratore. Per evitare che questo fenomeno avvenga, ed incrementare dunque la

capacità massima di cariche che possono essere accumulate dalla cupola, dopo aver

eseguito il vuoto all’interno del rivestimento esterno, viene inserito dell’esafluoruro di

zolfo (SF ), un gas isolante che comunque ha una capacità limitata di evitare la scarica.

6 n+

2. Il secondo limite è costituito dalla quantità di carica q che si riesce a fornire a una

particella con il processo di ionizzazione, quantità limitata sia dal numero totale di

elettroni estraibili in una particella ( H max1, He max2, N max7) sia dai limiti meccanici

che non garantiscono la ionizzazione completa di tutte le particelle di gas.

Schema dell’acceleratore di particelle XTU tandem.

XTU

L’acceleratore di particelle tandem presente a Legnaro dagli anni dai primi anni ’80 si basa

sullo stesso principio di funzionamento del Van de Graaf, solamente raddoppiato.

Schema fonti ioni negativi

Principio di funzionamento fonti di ioni negativi

a) Il materiale ( 2) da ionizzare viene depositato all’estremità di un’asta in metallo(1).

L’Asta viene riscaldata fino alla temperatura necessaria per far evaporare il materiale.

b) Il materiale divenuto gassoso diffonde all’interno del contenitore dove era stato

-7

precedentemente creato il vuoto a una pressione di 10 [mbar].

c) Il Cs contenuto nell’ampolla (3) viene bombardato da elettroni ed essendo un

elettrodonatore libera a sua volta elettroni che diffondono in tutto il contenitore.

d) Alcuni degli elettroni liberati si aggiungono all’orbita esterna delle molecole di

-

materiale vaporizzato, trasformandola in uno ione .

e) Viene applicata una differenza di potenziale tra o due lati del contenitore di

160kV/180kV (5) in questo modo gli ioni negativi sono attratti dal polo positivo e si

dirigono verso il foro di uscita del fascio (4).

Si deve ricordare che le fonti di ioni negativi sono in grado di produrre particelle solo ed

esclusivamente di carica -1 poiché la probabilità che un elettrone si aggiunga all’orbita più

esterna di un altro elemento è molto bassa. Da questo ne consegue che l’intensità di corrente I =

Q/s sarà poco elevata.

Legenda

1 spar gaps

2 tubo accelerante

3 pannelli devianti

4 pannelli in vetro- colonne isolanti

5 resistenze- piastre in acciaio

Magnete deflettore

Il magnete deflettore sfruttando la forza di Lorenz riesce a modificare la traiettoria del fascio

F=qvB.

secondo la legge Conoscendo la carica della particella posso tunare il campo magnetico

e in questo modo selezionare le particelle della velocità interessata, dirigendole nell’acceleratore

o nel target. Il magnete selezionatore si basa sullo stesso principio della forza di Lorenz.

Tubo di passaggio del fascio (2)

Il tubo di passaggio del fascio generalmente costituito da alluminio per via del suo tempo di

decadimento relativamente breve che consente di avvicinarsi alla macchina per eventuali

operazioni di manutenzione in tempi brevi.

Colonne isolanti (4)

Le colonne isolanti servono a isolare tra loro le varie piastre d’acciaio e sono generalmente

costruite in vetro o plexiglass per la scarsa conduzione elettrica di questi materiali.

Piastre in acciaio (5)

Le piastre in acciaio sono essenziali per fornire l’accelerazione delle particelle. Nelle piastre

sono presenti delle resistenze (600Mohm) che consentono di distribuire in maniera omogenea la

differenza di potenziale tra l’ingresso dell’acceleratore e il terminale ad alta tensione. Tra una

piastra e l’altra sono presenti anche delle sparcs gaps (1) che limitano i danni in caso le piastre

“scarichino”.

Stripper

Foglio generalmente composto di Cadmio, Oro o Carbonio ( 10mq di spessore) che permette, al

passaggio del fascio, di strappare elettroni alle particelle e trasformare le particelle cariche – in

particelle cariche + .

Stirer

Particolari generatori di campi elettrici in grado di polarizzare il fascio al fine di renderlo più

compatto poiché le particelle tenderebbero, durante il proprio percorso, a divergere dalla

traiettoria lineare e scontrarsi con le pareti del tubo accelerante. Vengono sempre fatti lavorare

in coppia per ogni asse per questioni di ottica del fascio. Il primo provoca un “effetto specchio”

che devia con lo stesso angolo di incidenza le particelle uscite dalla traiettoria lineare, il secondo

le fa rientrare in quest’ultima.

Trippletto

Tre quadrupoli magnetici in serie che permettono la focalizzazione del fascio in entrambi gli

assi, previo l’uso di campi magnetici molto forti. Questi si trovano in molteplici punti del tubo

di accelerazione.

Pompa da vuoto

Verrà specificato in seguito il funzionamento di questa apparecchiatura. È importante ricordare

però che l’interno dell’acceleratore viene riempito di SF per evitare le scariche delle piastre che

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fungono da condensatori.

Schematizzazione del principio di funzionamento dell’acceleratore xtu tandem

a. Il fascio di ioni negativi prodotti dalla sorgente risente di un’iniziale differenza di potenziale

tra la sorgente stessa e il foro d’ingresso dell’acceleratore, riceve pertanto un incremento di

200 KeV.

energia pari a

b. All’inizio del foro di entrata nel xtu tandem il fascio di ioni risente di una nuova differenza

15 MeV

di potenziale pari a tra il foro e il terminale ad alta tensione distribuiti gradualmente

tra le varie piastre in acciaio (il terminale viene caricato da una cinghia rotante secondo il

processo già descritto nell’acceleratore di tipo Van de Graaf)

c. Dopo essere stato accelerato fino al terminale, il fascio passa attraverso lo stripper dove

=Q

Q .

perde un numero di elettroni caricandosi di conseguenza positivamente. (n+) -1

n 1

d. A questo punto il fascio, carico positivamente, viene respinto dal terminale ricevendo la

seconda accelerazione.

e. Poiché il foglio di stripper non strappa a tutte le particelle lo stesso numero di cariche,

all’uscita dall’acceleratore avremo un fascio costituito da particelle di diversa energia.

f. Le particelle vengono dunque selezionate da un magnete in base alla forza del campo

magnetico applicato che deflette in maniera diversa cariche diverse secondo la legge di

Lorenz.

g. Una volta selezionate le particelle con l’energia desiderata dall’utente si prosegue a far

scontrare il fascio contro il target o nel caso dell’acceleratore suddetto a spedire il fascio

nell’acceleratore alpi per un’ulteriore accelerazione.

Calcolo del lavoro eseguito dall’acceleratore e problemi che ne limitano le potenzialità.

L’energia finale di una particella accelerata da xtu tandem è data dalla formula dove

(1+q)V [MeV]

sta per la carica della particella dopo il processo di stripping e è la differenza di potenziale tra la

q V

sorgente e il terminale ad alta tensione.

I limiti meccanici della macchina sono dati da:

La difficoltà di avere un intensa sia perché la sorgente fornisce un fascio di ioni

I

 relativamente basso, sia perché il processo di stripping fa perdere alcune particelle al fascio.

La difficoltà di alzare sopra un certo valore la carica del terminale per le stesse motivazioni

 dell’acceleratore di tipo Van de Graaf, ovvero che sopra un certo limite le piastre scaricano.

1+1/q

La spinta della seconda accelerazione inoltre è legata alla formula pertanto più lo

 stripper ionizza il fascio, meno questo risentirà della seconda spinta. Si dovrà dunque

lavorare sullo spessore del foglio di stripper per garantire la giusta ionizzazione.

Alpi

L’Acceleratore di particelle a campo elettrico variabile e cavità risonanti superconduttive,

concettualmente può essere catalogato negli acceleratori di tipo Linac di cui fornisco uno schema.

Spiegazione concettuale del funzionamento di un acceleratore LINAC.

Questo tipo di acceleratori sono formati da una serie lineare di generatori di campi elettrici che

forniscono una spinta sequenziale alle particelle nel tubo di scorrimento. Concettualmente si può

paragonare il funzionamento a una serie di condensatori disposti in linea retta che attirano, uno

dopo l’altro, la particella. Naturalmente se le cariche nei “ condensatori” rimanessero costanti di