Introduzione agli Acceleratori di Particelle. Antonio Palmieri INFN-LNL

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1 Introduzione agli Acceleratori di Particelle Antonio Palmieri INFN-LNL 1

2 Considerazioni introduttive Piccoli richiami di fisica Un viaggio nella fisica delle macchine acceleratrici attraverso la Storia Considerazioni conclusive Questionario interattivo 2

3 Un Acceleratore di Particelle è un apparato atto all accelerazione di particelle cariche lungo una traiettoria prefissata, al fine di raggiungere una determinata energia. Apparato = > apparecchiatura artificiale complessa Particelle cariche => elettroni, protoni, ioni, ecc. Accelerazione lungo una traiettoria prefissata => applicazione di forze 3

4 La carica elettrica La carica elettrica è una proprietà della materia Distinguiamo due tipi di cariche elettriche: carica positiva e carica negativa Cariche dello stesso segno si attraggono, cariche di segno opposto si respingono. F k q 1. R q 2 2 F 12 + q 1 R + q 2 F 21 Nel SI la carica elettrica è una grandezza derivata e si misura in coulomb (C) Due corpi hanno la carica di 1 coulomb se posti nel vuoto alla distanza di 1 metro interagiscono con una forza di intensità N. 4

5 Il campo elettrico Una carica elettrica Q genera nello spazio che la circonda una entità fisica, il campo elettrico E, capace di esercitare una forza su un altra carica q0 posta nelle vicinanze. Il campo elettrico può compiere un lavoro su una particella carica e quindi può aumentare la sua energia Il potenziale elettrico V è l energia che compete ad una carica per il fatto di trovarsi in una zona in cui è presente un campo elettrico. Le sorgenti del campo elettrico sono le cariche elettriche 5

6 Il campo magnetico Se, avvicinando due magneti, questi si attraggono o si respingono a seconda dell'orientamento dei rispettivi poli, significa che esercitano l'uno sull'altro una forza a distanza. Come per i fenomeni elettrici e per le forze gravitazionali, risulta utile descrivere le interazioni magnetiche utilizzando il concetto di campo. Si dice che un magnete esercita attorno a sé un campo magnetico, oppure che un campo magnetico è la regione dello spazio in cui sono sensibili le forze di attrazione e repulsione esercitate da un magnete o da un insieme di magneti. Il campo magnetico è un campo di forze, quindi, analogamente al campo elettrico e al campo gravitazionale, è un campo vettoriale. Le sorgenti del campo magnetico sono le cariche in movimento (correnti elettriche) Un campo magnetico costante non può compiere un lavoro su una particella carica e quindi non può variare la sua energia 6

7 Equazioni di Maxwell (1865) James Clerk Maxwell ( ) propose una teoria onnicomprensiva dei fenomeni elettrici e magnetici, che sintetizzò in 4 equazioni 1) Un campo magnetico B che varia nel tempo genera un campo elettrico E (Legge di Faraday-Neumann), le cui linee si avvolgono attorno a quelle di B 2) Le cariche in movimento (correnti) e un campo elettrico E che varia nel tempo generano un campo magnetico B (Legge di Ampére-Maxwell), le cui linee si avvolgono attorno a quelle di E 3) Le linee del campo elettrico E sono generate dalle cariche elettriche, ossia le cariche elettriche sono le sorgenti del campo elettrico 4) Le linee del campo magnetico B sono sempre chiuse, cioè non esistono monopoli magnetici Di conseguenza il campo E ed il campo B, quando variano nel tempo, costituiscono un unica entità (campo elettromagnetico), che si propaga nel vuoto alla velocità delle luce c 7

8 La forza di Lorentz Campi magnetici ed elettrici hanno le proprietà giuste per determinare la traiettoria di una particella, ossia mantenere una particella in moto su un orbita circolare (bending) Contenere la divergenza angolare delle traiettorie (focussing) Aumentare la loro energia (acceleration) Il campo E compie lavoro sulla carica, mentre il campo B no FM + FE = Forza di Lorentz 8

9 L elettronvolt L unità di misura per l energia nel sistema MKS è il joule (J). Tuttavia, nella Fisica delle particelle si usa normalmente l elettronvolt e i suoi multipli kilo electron volts (1keV=10 3 ev) Mega electron volt (1MeV=10 6 ev), Giga electron volt (1GeV=10 9 ev), Tera electron volt (1TeV=10 12 ev) etc. L elettronvolt è definito come l energia cinetica acquisita da un elettrone sottoposto a una differenza di potenziale di 1 volt. Poiché la carica di un elettrone è pari a is C, 1 ev corrisponde a J. Le energie di legame degli elettroni atomici sono nell ordine degli ev, mentre quelle per rimuovere un protone o un neutrone da un nucleo sono nell ordine dei MeV. 9

10 h= J s= ev s Costante di Planck 10

11 Brevissimi cenni di relatività speciale (1905) Le leggi della Fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali La luce si propaga nel vuoto a velocità costante c= m/s indipendentemente dal sistema di riferimento e dalla velocità dell oggetto che la emette Di conseguenza la cinematica e la dinamica dovranno modificarsi di conseguenza E kin =m 0 c 2 (g-1)=m 0 gc 2 -E 0 Energia cinetica relativistica E 0 =m 0 c 2 p=mv=m 0 gbc Energia a riposo Quantità di moto relativistica E kin b 11

12 Come tutto ebbe inizio Ernest Rutherford scopre la disintegrazione nucleare bombardando l'azoto con particelle alfa da sostanze radioattive naturali. Successivamente chiese "una fornitura abbondante" di particelle più energiche di quelle provenienti da fonti naturali. Nasce così l'era degli acceleratori di particelle. In questa apparecchiatura, gli atomi di azoto sono stati convertiti in atomi di ossigeno, in caso di collisione con particelle alfa ( 4 He) da una sorgente all'interno del tubo orizzontale chiuso. Protoni espulsi dall'azoto durante la formazione di ossigeno sono stati rilevati alla finestra rettangolare alla fine del tubo 14 N + 4 He 17 O + 1 H 12

13 Acceleratori elettrostatici Principio di funzionamento: una d.d.p. applicata fra due elettrodi accelera di moto uniformemente accelerato ioni inizialmente a riposo. L energia conferita dipende dalla d.d.p. del campo elettrico e dalla quantità di carica elettrica della particella da accelerare. ΔV=E L + L - E cin = ΔV Q + E - Limitazione principale: già a pochi MV si verificano scariche premature (anche nel tubo a vuoto in cui viaggiano le particelle) che abbassano la tensione e ne rendono impossibile il funzionamento. 13

14 Generatore e acceleratore di Van de Graaff (1929, Princeton, New Jersey) Robert Van de Graaff Energie massime MeV nella versione Tandem 14

15 LNL INFN Oak Ridge Nat. Lab. tandem 25 MeV 15

16 Generatore e acceleratore di Cockroft e Walton 1931, Cavendish Laboratory, Cambridge, England Nel 1932 ottengono la prima trasmutazione nucleare artificiale p + 7 Li 4 He + 4 He Premio Nobel nel 1951 Schema di funzionamento del generatore elettrostatico. Idea originale dello svizzero H. Greinacher 1919 Credit:Science Museum/Science & Society Picture Library Energie massime 1-2 MeV 16

17 Tensione di scarica Limitazioni degli Acceleratori elettrostatici I fasci di particelle vengono accelerarti in una camera da vuoto, con pressioni che vanno da 10-4 mbar a mbar. Tuttavia le particelle di gas residuo possono essere ionizzate e regioni di intenso campo elettrico possono far sì che tale gas diventi conduttivo, generando così le scariche. Inoltte, sempre a causa degli elevati campi elettrici, alcuni elettroni possono essere strappati via dalle pareti metalliche della camera da vuoto. Questo fenomeno può essere fortemente limitato se si applicano campi elettrici che varino col tempo, ad esempio con legge sinusoidale. Pressione del gas x distanza fra le placche Pressione del gas x distanza fra le placche 17

18 Per aggirare la limitazione delle altissime tensioni, tra il 1930 e il 1940, in Germania, Rolf Wideröe progettò un raffinato sistema di accelerazione basato sulla successione di molte piccole spinte date al momento giusto, che non richiede l impiego di tensioni molto elevate, ma beneficia della somma totale delle tensioni. E= E0 sin(2πft+φ) La particella carica è accelerata dal campo elettrico sinusoidale. Quando il campo cambia segno essa si trova all interno dei tubi schermati, per cui non ne risente l effetto. Ora, affinché il sistema funzioni, occorre che la Notare che la lunghezza degli elettrodi cavi è di lunghezza variabile, per tener conto dell aumento di velocità degli ioni accelerati. Se si usa un pre-iniettore le dimensioni diventano simili. particella attraversi la distanza AB pari a d in un semiperiodo. Se ora v è la velocità della particella, deve aversi che R. Wideröe 18

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27 Ernest Orlando Lawrence Notiamo che la distanza fra i centri delle gap acceleranti aumenta con la velocità delle particelle. Perciò, mano a mano che tali particelle vengono accelerate, la lunghezza dei tubi aumenta. All epoca questa soluzione venne considerata poco «pratica», in quanto essendo a disposizione solo amplificatori in grado di erogare potenze a frequenze fino a circa 10 MHz, chiaramente la distanza d diventava notevole, Ad esempio a f=10 MHz la lunghezza d onda l è pari a 30 m, per cui, per ottenere una velocità pari a 1/10 della velocità delle luce c, d dovrebbe essere pari a 1.5 m. Inoltre, una parte dell energia elettromagnetica associata al campo elettromagnetico sinusoidale si perde mediante irradiazione Intanto nell aprile del 1929, Ernest Orlando Lawrwnce, un giovane fisico dell Università di Berkeley, si imbatte nella pubblicazione di Wideroe. Lawrence, sebbene non fosse in grado di leggere il tedesco, comprese il principio di funzionamento della macchina di Wideroe, ma non solo 27

28 Il Ciclotrone Lawrence capì che, se le particelle fossero state accelerate su un percorso circolare, certamente la struttura sarebbe stata più compatta. Affinché la traiettoria rimanesse circolare occorreva che La forza centrifuga F C = mv 2 /R e la forza di Lorenz F B = qvb dovevano essrer uguali, per cui R = mv/qb, ω= 2πf = v/r= qb/m! La velocità angolare non dipendeva dal raggio, ma solo dal campo B e dal rapporto carica/massa q/m. Il campo elettrico applicato ad una frequenza pari a qb/(2πm) fornisce la necessaria accelerazione. Questo tipo di macchina prende il nome di Ciclotrone 28

29 Il Ciclotrone (2) B 29

30 Primo prototipo funzionante di ciclotrone (E.O.Lawrence e M.S.Livingston, 1931, Berkeley, CA) Diametro 4.5 pollici ( 11.5 cm) d.d.p. = 1,800 volts Accelerava Ioni H a 80 KeV Ciclotrone da 27 pollici (1932) 30

31 La Seconda Guerra Mondiale ( ) 31

32 e i suoi sviluppi tecnici La Seconda Guerra Mondiale vide un notevole sviluppo nelle tecnologie radar, con l avvento di amplificatori a frequenze più alte (per avere maggiore risoluzione) e di maggiore potenza (per rilevare oggetti più lontani), come ad esempio il Magnetron (ma non solo). All'epoca il Magnetron era uno dei segreti più ben custoditi dagli Inglesi. Ai giorni nostri il Magnetron lo si può trovare in moltissime abitazioni, all'interno dei forni a microonde, dato che esso è ora il sistema più economico e semplice per generare microonde con potenza elevata. Campo B diretto nel piano del foglio Gli elettroni vengono intrappolati in queste cavità, ed oscillando emettono un onda elettromagnetica Antenna che preleva le onde Traiettorie degli elettroni dovute al campo magnetico Un impianto radar della II Guerra Mondiale Catodo caldo che emette elettroni a potenziale negativo Anodo a potenziale nullo Il blocco anodico del primo magnetron costruito da Randal e Boot 32

33 Il Klystron Russell e Sigurd Varian e William Hasen inventano il klystron, un amplificatore ad alta frequenza (<300 MHz), presso la Stanford University. Un simile dispositivo è proposto da Agnesa Arsenjewa-Heiland Oskar Heil nel Nel 1948 fondarono la Varian Associates (insieme a Hansen e Ginzton) per commercializzare il klystron e altre invenzioni 33

34 . Il DTL di Alvarez Dopo la fine della seconda guerra mondiale, alcune tecnologie utilizzate per il radar furono de-classificate. Di conseguenza, nuovi tipi di amplificatori ad alta frequenza (da 100 MHz a qualche GHz) sono diventati disponibili. Inoltre, Nel 1946 Luis Alvarez superò gli inconvenienti del Wideroe Linac includendo la struttura di Wideroe all'interno di un grande tubo metallico che formava una cavità efficiente dove i campi erano confinati e se ne impediva l rradiazione Questa struttura, chiamata DTL (Drift Tube Linac), è ampiamente utilizzata come pre-acceleratore per protoni e ioni. Le particelle a poche centinaia di kev da un Cockcroft-Walton, ad esempio, vengono accelerate a poche centinaia di MeV. 34

35 Il DTL di Alvarez DTL di 12m a protoni costruito nel 1947 a Berkeley, f = 200 MHz, Energia = 32 MeV, diametro del tank 0.9 m Un moderno DTL: costruito al CERN per il progetto LINAC 4, opera a 352 MHz, ed accelera ioni H- da 3MeV a 50 MeV 35

36 Una parentesi sui risuonatori Un risonatore è un dispositivo o un sistema che presenta una risonanza o un comportamento risonante, ovvero oscilla naturalmente ad alcune frequenze, chiamate frequenze di risonanza, con una maggiore ampiezza rispetto ad altre. Le oscillazioni in un risonatore possono essere sia elettromagnetiche che meccaniche (incluse quelle acustiche). Le frequenze di tali oscillazioni dipendono dalle dimensioni della cavità. La condizione essenziale affinché un sistema risuoni è che sia vincolato agli estremi Pizzicando una corda vibrante, essa comincia ad oscillare a frequenze ben determinate. L attrito dei punti su cui è fissata la corda determina: Quanta forza devo applicare per ottenere l intensità di vibrazione desiderata (meno è l attrito, meno forza debvo applicare) Quanto tempo «dura» l oscillazione (meno è l attrito, più a lungo dura il suono) 36

37 Una parentesi sui risuonatori (2) Un risuonatore elettromagnetico (o cavità risonante) è costituito da un volume vuoto circondato da pareti metalliche (tipicamente Rame). Il suo funzionamento è analogo a quello della corda, solo che Il vincolo è dato dalla parete metallica, che forza il campo E parallelo a tale parete ad essere nullo Le quantità che oscillano sono il campo E e il campo B In una cavità accelerante il campo E principalmente concentrato nei dintorni dell asse, mentre il campo B è distribuito per lo più sulle pareti metalliche L attrito è costituito dal metallo; il campo B induce delle correnti su di esso che dissipano energia Il segnale RF viene portato in cavità da un amplificatore attraverso delle strutture schermate (guide d onda) 37

38 Il Sincrotrone (1945) Per Ernest Lawrence, l'unico limite per l'energia era la dimensione del magnete. Nel suo stile, Ernest stava progettando il ciclotrone da 60 pollici prima che il 27 pollici fosse completo. Aveva persino visioni di macchine a 100MeV, ma: 1) L'ottenimento di energie elevate nei ciclotroni richiede magneti molto grandi. A partire da ~ 400MeV la produzione di ciclotroni diventa sconveniente e costosa 2) Alte energie => effetti relativistici => w non più costante (poiché m aumenta con v secondo la Relatività). Le particelle vanno fuori fase con i campi acceleranti, e alla fine non vi è più accelerazione. Il sincrotrone permette di superare queste difficoltà, in quanto I campi magnetici si adattano nel tempo piuttosto che nello spazio, al fine di compensare le variazioni di velocità e di massa. Per le particelle che non sono vicine alla velocità della luce, la frequenza del campo elettromagnetico applicato può anche variare per seguire il loro tempo di circolazione non costante. Aumentando questi parametri quando le particelle ottengono energia, il percorso di circolazione può essere mantenuto costante. La preaccelerazione può essere ottenuta da una catena di altre strutture di acceleratore come un linac o un altro sincrotrone Il principio fu inventato da Vladimir Veksler nel Edwin Mc Millan costruì il primo sincrotrone per elettroni nel 1945, arrivando all'idea in modo indipendente. Il primo sincrotrone per protoni fu progettato da Sir Marcus Oliphant e costruito nel 1952, r = m(t)v(t)/qb(t)= const w(t)= qb(t)/2πm(t) 38

39 Nome Tipo E(GeV) Anni di operatività Laboratorio PS p CERN SPS p CERN Tevatron p FNAL ISR pp CERN SppS pp CERN Tevatron pp FNAL HERA e + _ p nel laboratorio DESY RHIC Ioni pes BNL 39

40 Magnete dipolare (bending magnet) Magnete quadrupolare per il focheggiamento 40

41 Cosmotron BNL Bevatron Berkeley 1956 scoperta dell antiprotone (necessari almeno 6.5 GeV) Il primo acceleratore a superare la barriera del GeV e il primo ad avere una estrazione del fascio per esperimenti all esterno Premio Nobel a E. Segrè e O. Chamberlain 41

42 PS CERN GeV Scoperta correnti deboli neutre 42

43 Il focheggiamento forte (1950) L'invenzione del focheggiamento forte nel 1950 da parte di Ernie Courant, Hartland Snyder e Stan Livingston, rivoluzionò il design degli Acceleratori, in quanto consentiva piccole aperture per il passaggio del fascio (a differenza del Bevatron, il cui l'apertura era abbastanza grande da contenere una jeep, con il relativo parabrezza verso il basso). Un quadrupolo magnetico, analogamente ad una lente, focheggia in un piano, ma defocheggia nel piano ortogonale. Chiaramente una particella che passa lungo l asse non risentirà di alcuna forza. Se però si intercalano quadrupoli focalizzanti ne defocalizzanti separati da una linea senza elementi di focalizzazione (drift), è possibile dimostrare che si ottiene un effetto netto focalizzante in ambo i piani coordinati giacenti sull asse di fascio (struttura FODO) y x 43

44 Edwin McMillan of UC Berkley, and V.I. Veksler (USSR) scoprirono indipendentemente il principio di Stabilità di fase nel Consideriamo una successione di gap acceleranti, per i quali la condizione di sincronismo è soddisfatta per una fase Φs (fase di riferimento). La particella P1 è chiamata la particella di riferimento stabile. La particella N1 arriva in anticipo rispetto a P1 ed è soggetta ad un campo accelerante inferiore, mentre la particella M1 arriva in ritardo rispetto a P1 ed è soggetta ad un campo accelerante superiore. quindi, l'effetto della tensione accelerante è quello di rallentare N1 rispetto a P e per accelerare M1 rispetto a P. Alla fine N1 e M1 saranno entrambi più vicino a P (raggruppamento). Per essere più precisi le particelle eseguiranno una oscillazione stabile intorno alla particella di riferimento. Il contrario avverrà per le particelle N2 e M2 del P2 (instabili). La Stabilità di fase (1950) Il focheggiamento forte e la Stabilità di fase sono fra i più importanti principi su cui si basano i moderni acceleratori di particelle 44

45 Colliders e + e - I collisionatori Negli anni 50 in diversi laboratori (Novosibirsk, CERN, Stanford, Frascati ecc), si svluppò la tecnologia delle collisioni fra fasci di particelle, grazie soprattutto agli studi di Bruno Touschek, Gersh Budker e Don Kerst Bruno Touscheck ADA LNF 1961 Il primo collider materia-antimateria s = 400 MeV 45

46 Super Proto Sincrotrone del CERN (SPS) E = 450 GeV Tunnel di 7 Km Alla fine degli anni 70 viene convertito in un collider protone antiprotone con s = GeV!! Accumulatore di antiprotoni Carlo Rubbia Premio Nobel 1984 per la scoperta dei mediatori della forza debole W + W - Z o Simon Van Der Meer 46

47 Circonferenza 27 km Cavità acceleratrici a RF Il primo collisionatore p+/p+, ISR al CERN, operante a 26 GeV (anni 70) Il collisionatore è+/e- LEP costruito al CERN di Ginevra operava a MHz con una energia massima di 208 GeV. E stato attivo dal 1989 al

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49 L RFQ (Quadrupolo a Radiofrequenza) (1970) A basse energie, per protoni (o ioni), il focheggiamento quadrupolare non è molto efficace F = qv B Infatti, se v è basso, per avere un buon focheggiamento occorre un grande valore di B, cioè quadrupoli magnetici molto grandi (e costosi). Quindi, in questo caso, il campo elettrico, usato per focalizzare, potrebbe funzionare meglio (F = qe). Supponiamo che il campo nei quattro elettrodi metallici vari sinusoidalmente con il tempo con frequenza f. La particella vedrà questa polarità alternata come lo stesso effetto di un FODO, in quanto, in questo caso, il campo E darà origine alle stesse forze del quadrupolo magnetico, Fx = -g x, Fy = g y Nel 1970 Kapchinskiy e Teplyakov (URSS) proposero di modulare sinusoidalemnte la forma degli elettrodi con un periodo pari a vλ/c: così si crea una componente longitudinale del campo elettrico, con le stesse considerazioni sul sincronismo fatte precedentemente. Oggi in tutti i moderni Linac un RFQ funge da primo stadio accelerante. 49

50 L RFQ del progetto IFMIF, 175 MHz, 125 ma di Deuteroni, 5 MeV di energia finale), progettato da INFN, attualmente in fase di collaudo a Rokkasho (Giappone). 50

51 Strutture superconduttive (anni 80) La superconduttività (SC) è un fenomeno fisico, spiegabile con la meccanica quantistica, in cui determinati materiali, se raffreddati al di sotto di una temperatura critica Tc (tipicamente sotto i 10 K), presentano una resistenza elettrica praticamente nulla ed espellono le linee di forza del campo magnetico. In questo modo è possibile far circolare correnti e/o imprimere campi acceleranti, senza dissipare potenza sotto forma di calore. Questo effetto è in parte mitigato dall'efficienza di Carnot (h = Tf / Tc << 1 se, per esempio, Tf = 4K e Tc = 300K). A partire dalla fine degli anni 70, i materiali superconduttori (ad esempio il Niobio, con Tc=8.4 K) sono stati utilizzati per costruire i magneti e le cavità acceleranti, e oggi quasi tutte le sezioni acceleranti ad alto v/c utilizzano strutture SC Il primo linac SC fu costruito a Stanford (USA) nel Accelerava elettroni fino a 50 MeV ed era lungo 27 m. Assemblaggio in camera pulita di una cavità SC. 51

52 LHC al CERN (2008) LHC (Large Hadron Collider) accelera protoni da 450 GeV fino a 7000 GeV. I due fasci collidono in quattro aree sperimentali LHC (Large Hadron Collider) è costituito da un anello di 27 chilometri di magneti SC, ricavato nello stesso tunnel del LEP, con un certo numero di strutture acceleranti SC per aumentare l 'energia delle particelle I fasci raggiungono velocità molto prossime a quelle della luce nei punti di collisione. L obiettivo di LHC è riprodurre le condizioni dell universo ~10-6 secondi dopo il big-bang per studiare fenomeni fisici mai osservati. Nel 2012 è stato scoperto al Large Hadron Collider del CERN il bosone di Higgs, l'anello mancante al Modello Standard, la teoria che attualmente descrive le particelle elementari e le loro interazioni fondamentali. La progettazione e costruzione di LHC hanno preso più di 15 anni ed il costo complessivo è stato di circa 6 miliardi di EUR 52

53 Il diagramma di Livingstone Nel 1950 Livingstone rappresentò l'energia degli acceleratori espressa in una scala semi-logaritmica in funzione dell'anno di costruzione osservando una crescita lineare. L'aumento di energia di un fattore 33 ogni decennio, è dovuto soprattutto alle scoperte ed ai progressi tecnologici. 53

54 Usi degli Acceleratori 54

55 Fate il vostro Acceleratore! La scelta della struttura accelerante dipende dall'applicazione, che determina anche i parametri più importanti: Energia Corrente del fascio Tipo di particella accelerata 55

56 Radiofarmaci e radioterapia Ciclotroni compatti o linacs per p, d, 3He, 4He sono usati per produrre radioisotopi per l'imaging medico. Protoni di 7-11MeV per isotopi a breve durata per l'imaging MeV o superiori per gli isotopi a lunga vita media protoni, neutroni o ioni positivi (ossia Carbonio) per il trattamento del cancro. Il tipo più comune di terapia a partire dal 2012 è la terapia protonica. La gamma di energia si spinge fino alle centinaia di MeV. I valori di corrente variano da alcuni ma ad alcuni ma Impiantazione ionica Gli acceleratori elettrostatici (energia di pochi MeV, correnti inferiori a 10 ma) vengono utilizzati per depositare gli ioni nei semiconduttori. 56

57 Analisi molecolare, cellulare, cristallografica (Anelli per luce di sincrotrone) La radiazione di sincrotrone o luce di sincrotrone è una radiazione elettromagnetica generata da particelle cariche, solitamente elettroni o positroni, che viaggiano a velocità prossime alla velocità della luce e vengono costrette da un campo magnetico a muoversi lungo una traiettoria curva. Tanto più elevata è la velocità della particella, tanto minore è la lunghezza d'onda della radiazione emessa e generalmente il picco dell'emissione avviene alle lunghezze dei raggi X 57

58 Un caso particolare: la fusione nucleare Fusione di deuterio con trizio, che dà luogo a elio 4, liberando un neutrone e rilasciando MeV di energia cinetica, corrispondenti a una diminuzione di massa E = Δmc 2, dove Δm è l ammanco di massa a riposo dei reagenti 58

59 Il Progetto IFMIF La International Fusion Materials Irradiation Facility, (IFMIF), è una installazione per testare i materiali candidati ad essere usati nei reattori a fusione. IFMIF deve produrre un flusso estremamente intenso di neutroni, con acratteristiche energetiche simili a quelle che si prrsenteranno in un reattore a fusione. Per generare tale flusso due Acceleratori di particelle per Deuteroni in parallelo in grado di accelerare una corrente Ib=125 di D+ fino all energia W=40 MeV. La potenza del fascio Pb=Ib*W/q=125 ma*40 MeV*2=10MW. È equivalente a quella necessaria per accelerare 135 automobili (900 kg di peso) da 0 a 100 km/h. 59

60 L Acceleratore Prototipo di IFMIF (LIPAc) 0.1 MeV 5 MeV 9 MeV I=125 ma P=Vf in I=9MV*125 ma=1.125 MW 60

61 Esempio di schema di un moderno Linac: il progetto ESS La European Spallation Source (ESS) sarà la più intensa sorgente di neutroni operanti al mondo. Si tratta di un infrastruttura pan-europea per accogliere una comunità scientifica di circa 5000 ricercatori. I fasci di neutroni a bassa energia che verranno resi disponibili permetteranno nuove opportunità sperimentali per misure in tempo reale, in situ, in vivo, incluse misure di eventi dinamici su scala nanometrica. Il Progetto, dal punto di vista tecnico, prevede la produzione di neutroni per reazione di spallazione di protoni su bersaglio rotante di tungsteno. Sul bersaglio arriverà un impulso di protoni di energia 2.5 GeV, durata 2.86 ms e frequenza 14 Hz (corrente 50 ma, potenza totale sul bersaglio 5 MW, potenza istantanea 125 MW). Il laboratorio verrà costruito a Lund (Svezia), si prevede di completare la costruzione nel 2019 e aprire all utenza nel 2025 per successivi 40 anni di funzionamento. Gli LNL (assieme a INFN Torino) sono impegnati nella progettazione e realizzazione del DTL 61

62 Considerazioni La progettazione, costruzione e la messa in funzionamento di un acceleratore di particelle è un compito molto versatile e richiede l impiego di svariate competenze. Comprende la fisica, l'ingegneria (elettrica / elettronica, termica, meccanica, fluidodinamica), la scienza dei materiali, la chimica in parte, capacità gestionali e, ultimo ma non meno importante, il buon senso... Elettronica di Potenza, elettrotecnica Scienza dei materiali, termodinamica Ingegneria meccanica e termica Ingegneria delle infrastrutture Ingegneria elettronica e Radiofrequenza Ingegneria del Software e dei sistemi di controllo Fisica nucleare e subnucleare Fisica degli acceleratori (dinamica del fascio) Amministrazione e contabilità Ingegneria gestionale (Project Management) 62

63 Principali acceleratori di particelle nel mondo 63

64 1358 delegati, da 40 paesi Epilogo Su quattro premi assegnati per i più significativi risultati nel campo della fisica degli acceleratori, 3 sono andati a italiani The Gersh Budker Prize, for a recent significant, original contribution to the accelerator field, with no age limit, is awarded to Dr. Pantaleo Raimondi of ESRF (France) The Frank Sacherer Prize, for an individual in the early part of his or her career, having made a recent significant, original contribution to the accelerator field, is awarded to Dr. Anna Grassellino of Fermilab (USA) The Bruno Touschek prize winner, awarded to a student registered for a PhD or diploma in accelerator physics or engineering or to a trainee accelerator physicist or engineer in the educational phase of their professional career, for the quality of work and promise for the future, was awarded to Fabrizio Guiseppe Bisesto of INFN/LNF (Italy) 64

65 Quiz finale APALMIERI 65

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