Percorsi Didattici di Fisica della Materia FISICA DEI PLASMI

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1 Percorsi Didattici di Fisica della Materia FISICA DEI PLASMI Si studia il comportamento complesso del plasma, lo stato della materia più diffuso nell universo (99.9%). Lo studio è centrale in un ampio insieme di tematiche di ricerca, che vanno da problemi a carattere fondamentale, quali lo sviluppo di turbolenza e strutture coerenti, allo studio di fenomeni collettivi in plasmi di laboratorio e in plasmi astrofisici, al problema della fusione termonucleare controllata, ad innovative applicazioni tecnologiche, quali le sorgenti avanzate di radiazione, l accelerazione di particelle, la propulsione spaziale. Nel percorso formativo si conduce lo studente ad apprendere i fondamenti della fisica dei plasmi e ad indirizzarsi verso ricerche sui plasmi di laboratorio, sulla fusione controllata, su plasmi astrofisici e spaziali.

2 Plasmi La parola plasma indica genericamente un gas ionizzato nel quale le interazioni fra le particelle sono dovute ai campi elettromagnetici. È il più diffuso stato della materia nell Universo. In natura: fulmini, aurora, magnetosfera ed eliosfera, plasma solare, venti stellari, mezzo interstellare. In laboratorio: plasmi per gli esperimenti di fusione termonucleare, plasmi per il trattamento dei materiali, per illuminazione, per la propulsione spaziale, plasmi prodotti da laser, plasmi nei fasci di particelle cariche e nei generatori di microonde di elevata potenza.

3 Plasmi in Astrofisica La fisica dei plasmi è fondamentale per la descrizione del comportamento del Sole, delle stelle, del mezzo interstellare e delle galassie. Senza i concetti sviluppati nella fisica dei plasmi non possiamo comprendere diversi fenomeni quali le macchie solari, la formazione delle stelle dalle nubi di gas interstellare, l'accelerazione dei raggi cosmici, la formazione e la dinamica dei getti e dei venti provenienti dalle stelle e dalle galassie.

4 Plasmi nel sistema solare: Space Weather

5 Applicazioni: tecnologie al plasma per il trattamento di superfici Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) system Plasma etching nella fabbricazione di semiconduttori e microprocessori

6 Applicazioni: accelerazione al plasma, propulsione spaziale

7 Plasmi: Fusione termonucleare controllata La fisica del plasma è centrale nello sviluppo della fusione termonucleare controllata quale sorgente di energia. ITER

8 Fusione termonucleare controllata (Italia) Progetto bandiera Miur

9 Ricerca in Fisica dei Plasmi presso il Dipartimento Argomenti di Ricerca Dinamica di plasmi di soli elettroni intrappolati, anche in presenza di una componente polverosa (dusty), e di fasci continui od impulsati di elettroni di bassa energia [Finanziamento PRIN-MIUR; Esperimento Eltest/Elebeam, INFN Gr. V] Fusione Termonucleare Controllata. Collaborazioni Istituto di Fisica del Plasma, C.N.R., Milano INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro Gruppi Universitari: Calabria, Pisa Max Planck Institut für Plasmaphysik, Garching - Greifswald (Germania) Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk (Russia) G.S.I., Darmstadt (Germania) M.I.T. (USA)

10 Plasmi non neutri Lo studio dei plasmi non neutri permette di indagare: su problemi aperti di fisica dei fluidi, fisica della turbolenza, fisica statistica; sui metodi di confinamento ed accumulo di particelle cariche, con applicazioni alla produzione di antimateria (esperimenti Alpha/Aegis, Atrap ed Asacusa al CERN) e di fasci di positroni (utili in campo biologico e nell indagine dei materiali); sui processi di alterazione della brillanza dei fasci usati nelle applicazioni (magnetron, gyrotron, FEL); su nuovi metodi per l accelerazione di particelle cariche; sulle caratteristiche del moto bidimensionale di fluidi (es. vortici atmosferici, nei fluidi criogenici, nei pianeti e nello spazio su diverse scale di lunghezza).

11 Apparato ELTRAP, Dipartimento di Fisica

12 Esempi di evoluzione del plasma di elettroni intrappolato

13 Fisica del FEL e dell accelerazione al plasma Fisica del Free-electron laser: produzione di radiazione coerente nel visibile e UV misura della coerenza longitudinale (FROG) misura della coerenza trasversa con speckle (in collaborazione con gruppo Giglio-Potenza) estensione al lontano UV e ai raggi X Fisica dello Scattering Thomson/Compton: studio del fenomeno dai principi primi produzione delle prime collisioni elettrone-fotone misura dei raggi X prodotti utilizzo dei raggi X in esperimenti di imaging Fisica dell Accelerazione a Plasma: studio dei principi costruzione di codici progetto dell esperimento Produzione di radiazione TeraHertz: studio e misura della radiazione di transizione.

14 Gruppo di Fisica dei fasci (elettroni e fotoni) e Free-electron laser D: linea TeraHertz Vittoria E: acceleratore Petrillo (ricercatore a plasma universitario) Luca F:Scattering Serafini (direttore Thomson di ricerca INFN) Dario Giove (ricercatore INFN) Francesco Broggi (ricercatore INFN) Andrea Renato Rossi (ricecatore INFN) Alberto Bacci (ricercatore INFN) Cesare Maroli (prof. univ. fuori ruolo) Fisica applicata, teorica simulativa e sperimentale, raccolta e analisi dati. Esperimento SPARC/PlasmonX al Laboratorio Nazionale di Frascati (LNF) dell INFN Ondulatore Linea di trasporto Linac Free-Electron Laser

15 FEL

16 Elettrodinamica Classica Struttura della Materia 2 Metodi Matematici della Fisica (Equazioni Differenziali 1) Fisica dei Plasmi e della Fusione Controllata Elettrodinamica avanzata e corsi a scelta tra: Percorso Didattico Formativo Elementi di Fisica dei Continui Fondamenti di Energetica Astrofisica Teorica 1 e 2 Fisica Cosmica 1 Meccanica Analitica 2 Sistemi Dinamici 1 Ottica 1 Fisica Atomica Laboratorio di Ottica ed Applicazioni Laboratorio di Fisica dei Laser 1 Laboratorio di Fisica degli Acceleratori

17 Possibili argomenti Tesi di Laurea Magistrale Plasmi non neutri e dusty; fasci di elettroni di bassa energia (Laboratorio Eltrap presso il Dipartimento) Possibili attività sia di tipo sperimentale che teorico/numerico [confinamento, dinamica e instabilità di plasmi non neutri e plasmi polverosi (dusty), dinamica e turbulenza di fluidi 2D, analisi di effetti di carica spaziale in fasci]. Fusione termonucleare controllata Possibili attività teorico/numeriche (riscaldamento, emissione di radiazione, trasporto, stabilità in Tokamak e Stellarator, analisi dati di esperimenti attuali e previsioni per esperimenti futuri - ITER).

18 Possibili sbocchi Ricerca presso l Università o presso Enti di Ricerca in Italia (es.: IFP-CNR Milano, ENEA Frascati, Consorzio RFX-Padova) o all estero (es. centri EURATOM in Europa). Industria (applicazioni dei plasmi).

19 Per ulteriori informazioni: