MODULO A: ACCELERATORI DI PARTICELLE

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1 STAGE DI FISICA EDIZIONE 2011 MODULO A: ACCELERATORI DI PARTICELLE ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE LABORATORI NAZIONALI DI LEGNARO Paolo Matteo Simonetti ISIS Galileo Galilei - Belluno Benedetta Piva Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi Treviso Gianmarco Sarto Liceo Scientifico Carlo Cattaneo Monselice (PD)

2 CIO DI CUI PARLIAMO: Acceleratori di particelle: -cosa sono -tipi di acceleratori -come sono strutturati -a cosa servono Fasci di particelle: -cosa sono -come si comportano Tecnologia del vuoto: -cos è il vuoto -perché il vuoto -come si ottiene Software Tracewin

3 ACCELERATORI DI PARTICELLE L acceleratore di particelle è una macchina in grado di accelerare particelle elettricamente cariche dette IONI. Gli elementi principali di questa macchina sono: -fonte di particelle (ioni) -camera a vuoto -dispositivo di focalizzazione -dispositivo di accelerazione -dispositivo di misura -bersaglio fisso (oppure un altro fascio)

4 TIPI DI ACCELERATORI -elettrostatici Sfruttano un campo elettrico costante nello spazio e nel tempo. -a cavità risonanti Il campo elettrico è variabile, ad alta frequenza. -circolari (ciclotroni e sincrotroni) Utilizza un magnete per mantenere in traiettoria lo ione.

5 PERCHE ACCELERIAMO PARTICELLE? Vogliamo conoscere la struttura della materia Non essendo possibile sbirciare all interno del nucleo spacchiamo tutto! gli IONI

6 FASCI DI PARTICELLE La sorgente produce un fascio con ioni ognuno lanciato con angolo divergente rispetto agli altri. Il fascio tende a disgregarsi. Per evitare che questo accada si utilizzano combinazioni di magneti. Che sfruttano il principio della forza di Lorentz mantenendo in traiettoria gli ioni F = qv x B

7 Sfruttando una particolare combinazione della Forza di Lorentz, prodotta dagli elettromagneti del quadrupolo, Otteniamo il FOCHEGGIAMENTO del fascio. Ma tutto questo funziona solo in presenza di una particolare condizione IL VUOTO!

8 TECNOLOGIA DEL VUOTO Parliamo di vuoto quando la pressione all interno di una cavità è minore alla pressione atmosferica (P<Patm). Per il funzionamento di un acceleratore di particelle è necessario l ultra alto vuoto, per evitare che gli ioni collidano, durante il loro tragitto, con le particelle costituenti l aria o eventuali altri gas deviando il loro percorso.

9 L ultra alto vuoto si raggiunge solo attraverso una serie di passaggi graduali. Per far ciò si utilizzano differenti tipi di pompe. -pompe meccaniche (per il basso vuoto) -pompe turbomolecolari (per l alto vuoto) -pompe criogeniche (per l ultra alto vuoto) Le POMPE MECCANICHE agiscono attraverso pistoni e palette per espellere il gas dopo averlo compresso Le POMPE TURBOMOLECOLARI, ruotando ad alta velocità, catturano ad una ad una le molecole e le obbligano a seguire un certo percorso verso l esterno. Le POMPE CRIOGENICHE sono dotate di una punta fredda sulla quale si depositano (e vi rimangono) le molecole di gas residue.

10 Software TraceWin Questo software nasce dalla necessità di spiegare il moto del fascio all interno dell acceleratore. Il fascio è un insieme di particelle cariche (ioni) le quali si muovono all interno di una macchina chiamata acceleratore. Per capire come si muovono gli ioni serve un modello ideale che descriva moto delle particelle. La fisica coinvolta per capire il moto delle particelle sono le leggi della dinamica (F=m*a) e dell elettro magnetismo (F=q(E+VxB)) Questo modello matematico può essere rappresentato da un ellisse che evolve nel tempo e nello spazio. L ellisse rappresenta la posizione del fascio e la sua direzione all interno dell acceleratore per ogni coordinata spaziale.

11 Quindi con tre ellissi si può mostrare il moto completo del fascio in X,Y,Z L ascissa mostra la larghezza del fascio mentre l ordinata indica l insieme delle direzioni delle particelle.

12 Comportamento fascio visto lateralmente Avanzamento di fase dell ellisse (TUBO) e avanzamento di fase dell ellisse (QUADRUPOLO)

13 Cos è TraceWin? Il software TraceWin permette di calcolare e vedere graficamente l evoluzione del fascio tramite ellissi nell acceleratore. Il software calcola inoltre il moto di un insieme macroparticelle nell acceleratore, ogni macro-particella raccoglie il moto di centinaia di migliaia di ioni

14 TraceWin è stato ideato dalla commissione per l energia atomica francese (CEA) Lo studio per la crezione del codice ha come fautore D. Uriot.

15 Perché si usa TraceWin? TraceWin viene utilizzato per comprendere il comportamento del fascio all interno dell acceleratore e per simulare i suoi comportamenti prima che questi siano verificati empiricamente. Inoltre la sua applicazione è utilissima per la progettazione di nuovi acceleratori e le loro applicazioni nel futuro. Ad esempio: IFMIF, ESS, e altri ancora.

16 Come si utilizza TraceWin Si descrivono le caratteristiche del fascio, ad esempio per una ellisse vengono indicati i semiassi e l inclinazione Vengono poi inseriti dei parametri che vengono tradotti graficamente. Questa descrizione funziona anche per rappresentare l insieme di particelle. Gli elementi del fascio sono inseriti tramite parole come DRIFT per indicare un tubo di fascio e QUAD per un quadrupolo

17 Relazione tra esperimento e realtà Il grafico mostra quante particelle in percentuale vengono perse lungo un LINAC (ALPI) e sono misure sperimentali. Le linee rappresentano il risultato delle simulazioni, con ipotesi di diverse dispersioni di energia.

18 Potenzialità applicative di TraceWin In conclusione l utilizzo di questo software agevola il lavoro di fisici e ingegneri in quanto dà la possibilità di prevedere comportamenti e evoluzioni in vista di una migliore e più efficace ottimizzazione nella costruzione di acceleratori futuri accorciando notevolmente i tempi di ricerca.

19 GRAZIE PER L ATTENZIONE!!