Acceleratori di Particelle

Acceleratori di particelle

Francesco Carpanese

Liceo scientifico Ippolito Nievo Padova

Anno scolastico 2008/2009

Acceleratori di particelle

Cenni storici

1910

Rutherford esegue il primo esperimento di fisica nucleare bombardando con raggi emessi da α sorgenti radioattive un sottilissimo foglio d’oro, rilevando la deviazione delle particelle causata dall’urto con i nuclei atomici dell’oro.

Questo esperimento aprì la strada all’ideazione e progettazione dei cosiddetti “acceleratori”, macchine capaci di accelerare una particella, in genere ioni o elettroni, per farla urtare contro un target e rilevare i frammenti generati dall’urto.

Inizio anni ’30

John Douglas Cockcroft e Ernest Walton ottennero, tramite un circuito composto da diodi e alternatori, un’alta tensione continua a partire da corrente alternata, in grado di accelerare una particella fino all’energia di qualche MeV. Circuito a diodi.

Questo tipo di acceleratore venne definito a “caduta di potenziale” e sfruttava la forza del campo elettrico dovuta a una differenza di potenziale per accelerare ioni prodotti da gas colpiti da scariche elettriche o per riscaldamento.

F = ΔV/x

Nello stesso periodo Van de Graaf crea un nuovo tipo di acceleratore a “caduta di potenziale” in grado di trasportare materialmente le cariche in una piastra, con un processo di carica per strofinio. Questo tipo di acceleratore otterrà, negli anni, maggior fortuna tanto che viene ancora impiegato nelle ricerche ambientali o nell’analisi dei materiali. Attualmente è presente anche a Legnaro (XTU tandem, AN 2000, CN).

1932

Milton Stanley Livingston e Lawrence svilupparono il un acceleratore di forma “ciclotrone”, spiraleggiante in grado di accelerare protoni fino all’energia di 80 KeV.

Anni ’30

Rolf Wideroe scopre come sfruttare un campo magnetico variabile nel tempo per incrementare l’energia delle particelle ideando il “betatrone”, poi ripensato da Kerst negli anni ’40.

1940

Wideroe progetta il primo acceleratore lineare, LINAC, capace di accelerare nuclei fino all’energia di 50 KeV, sfruttando dei tubi a scorrimento (drif tube) su cui viene applicata una tensione variabile. Questo modello è l’antenato dell’acceleratore “ALPI” di Legnaro.

Negli stessi anni ’40 viene dimostrato il principio di funzionamento del “sincrotrone” che si basa sull’idea di separare l’apparato che guida il fascio di particelle da quello che lo accelera, cavità risonanti capaci di generare alti campi a frequenza variabile.

Con questo tipo di acceleratore si arriva in Italia, nel laboratorio di Frascati, all’energia record negli anni ’50, di 1 GeV. Sfruttando questo progetto si pensò di far collidere non più un fascio di particelle con un target fisso, ma con un altro fascio di particelle dotato di una certa energia cinetica così da aumentare l’intensità dell’urto, i cosiddetti “collider”.

Con lo stesso principio funzionava anche 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 a campo elettrico statico”, sul modello dell’acceleratore ideato da Van de Graaf. Ne fanno parte il CN, impiegato negli studi di radiobiologia, l’AN2000 (7 MeV), XTU Tandem, impiegato nello studio dei materiali e della fisica allo stato solido (2.5 MeV).

b) “acceleratori a campo elettrico variabile a radiofrequenza”, sviluppati secondo il modello LINAC. Ne fanno parte l’acceleratore a cavità superconduttive “Alpi” e l’acceleratore a quadrupolo superconduttivo “Piave”.

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

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 × ΔV dove q è la carica della particella e ΔV è la differenza di 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 × V

Come già detto questo tipo di acceleratore fornisce un’energia finale pari a E_fin = q × ΔV, poiché ci 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 su q o V. I limiti che bloccano l’evoluzione di questo tipo di acceleratore sono legati ai seguenti parametri: Δ

1. Non è possibile aumentare all’infinito il V, poiché sopra un certo limite la cupola in metallo “scarica”, cioè le cariche + “saltano” nella parte più esterna di rivestimento dell’acceleratore.
2. 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 (SF₆), un gas isolante che comunque ha una capacità limitata di evitare la scarica.
3. 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 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

1. 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.
2. Il materiale divenuto gassoso diffonde all’interno del contenitore dove era stato precedentemente creato il vuoto a una pressione di 10⁻⁷ [mbar].
3. 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.