Il mondo degli acceleratori lineari di particelle

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1 Legnaro, Il mondo degli acceleratori lineari di particelle F C t l Francesco Curtolo Enrico Basso

2 Obbiettivi Questo corso è nato per orientare la nostra scelta universitaria e la nostra formazione personale inducendo in noi curiosità per l'argomento, un approfondimento di preformazione alla fisica nucleare degli acceleratori, mostrandoci dei particolari lavori in cui ci potremo imbattere in un prossimo futuro. Questi lavori riguardano gli acceleratori di particelle e soprattutto imparare in maniera introduttiva il funzionamento di questi: i principi fisici che li regolano e che ne prevedono il funzionamento, la loro funzione e le applicazioni dei vari acceleratori.

3 Introduzione al modulo: introduzione alla fisica degli acceleratori di ioni

4 Concetto di campo, di carica e le linee di forza: Campo: è perturbazione dello spazio, può esser gravitazionale,magnetico,elettrico Carica : è una proprietà delle particelle, può esser positivao negativa Linee di forza: linee immaginarie che descrivono l influenza di un campo

5 La criogenia: (Modanese) l uso negli acceleratori di particelle Le formule e leggi fondamentali: leggi sulla trasmissione del calore ( Q=λA/l*(t 1 -t 2 ) Q=a c A*(t 1 -t 2 ) Q=Ea n A(t 4 1 -t 4 2 ) ), leggi della termodinamica, legge dei gas ( PV=nRT) Cos'è C 'èla criogenia: i è quella branca della fisica/ingegneria i i che studia e progetta il modo di produrre,condurre e utilizzare sistemi che utilizzano sostanze (gas liquefatti) con temperature prossime allo zero assoluto. Gli apparati criogenici in un acceleratore:i criostati (i contenitori della parte del sistema che raffredda le cavità risonanti), il sistema di trasporto dell'elio elio liquido attraverso apposita tubatura isolata, isolante quale mylar, l'impianto di raffreddamento e liquefazione dell'elio e le varie sonde e sistemi di controllo elettronico di temperatura e pressione.

6 Termine della lezione con esperianza pratica al laboratorio di criogenia dove si è venuti direttamente a contatto con le caratteristiche dell'azoto liquido attraverso prove pratiche, e si è vista dal vivo la struttura interna di un criostato in riparazione.

7 Introduzione alla fisica dei fasci (Comunian) Ripasso dei concetti di campo, carica e tensione La Forza dil Lorentz: èla forza che agisce su un oggetto elettricamente carico che si muove in un campo magnetico. Necessita di un oggetto elettricamente carico in movimento, e che questo movimento avvenga in un campo magnetico. È in grado di deviare le particelle cariche in maniera perpendicolare alla direzione del moto della particella e la sua intensità dipende dalla velocità dell'oggetto. Equivale a F=q*v B F=q* v B*sena con q=carica dell'oggetto, v=velocità (m/s) e B=campo magnetico (N/A=J/A 2 =Wb/m 2 =T) La corrispondenza massa energia: la massa è una forma dell'energia, infatti si può misurare in ev (elettronvolt) convertibili in Juole secondo la formula 1eV=1,602*10^-19 J

8 Il Bρ (bi rho):è un coefficiente che ci fornisce la rigrigidità del fascio, e cioè quanto il fascio è resistente a presunte deviazioni. Data la quantità di moto p=mc 2 / (1-B) e l'accelerazione angolare a=v 2 /r si ha: F=m*a=m*v 2 /r=q*bxv elidendo i fattori comuni si ha: Bxr=m*v/q=p/q q dato a Bxr in nome di Br si ottiene il coefficente voluto. Esercizi applicativi: presa in visione di concetti quali accelerazione, focalizzazione,deviazione in esercizi applicativi di formule acquisite quali

9 Gli acceleratori elettrostatici Gli acceleratori sono composti principalmente da 3 parti : Sorgente di ioni: un dispositivo che fornisce ioni Colonna accelerante: che crea un campo elettrico un sistema di trasporto per gli ioni Questa tipologia di accelleratori necessita di strumenti di controllo della tensione (magneti analizzatori) che servono a regolare il flusso di corrente elettrica in modo da ottenere un fascio più stabile possibile e soprattutto riducono il rischio di scariche ih elettriche lttih dovute all alta ll lt tensione presente nello strumento.

10 Sorgente di ioni Gas: vengono strappati elettroni tramite due magneti che attirano gli elettroni e spingono gli ioni positivi Piastre cariche: si mettono vicine 2 piastre di materiale voluto una che fungerà da sorgente una legermente carica strapperrà elettroni e spingerà vie lo ione carico

11 Van De Graaf Nell acceleratore van de graaf le cariche create da un campo elettrico vengono posizionate su un nastro che le accumula in un terminale posto vicino alla sorgente qui gli ioni sentendo la forza repulsiva cengono spinte giù lungo un condotto fatto di strati e di vetro sovrapposti da qui gli ioni i accelerati vengono condotti fino al target

12 Tandem Nell accelleratore tandem gli ioni escono dalla sorgente con carica negativa vengono attirati da una tensione positiva verso una lastra di carbonio chiamata stripper che priva gli ioni di alcune cariche negative questi infine vengono accelerati una seconda volta dalla stessa tensione e condotti fino al target t

13 Tecnologie del vuoto: (De Lazzari) gli apparati per acceleratori Apparati in grado di riprodurre il vuoto sono capaci di portare la pressione interna a un recipiente sotto al livello di quella atmosferica. Le basi teoriche:la pressione (forza applicata su una superficie: P=/A) e le sue unità di misura (Pascal,bar, Torricelli,millimetri di Hg,bar,atmosfere...). I I diversi i tipi i di vuoto:basso vuoto 10^5 10^2 Pa- Vuoto medio 10^2 10^-2 Pa- Alto vuoto 10^-2 10^-6 Pa- Ultra-alto vuoto < 10^-6 Pa Il flusso viscoso :dove cè c'è una breve distanza tra le molecole, la pressione supera i 0,1 mbar e il flusso avviene tramite trasferimento della quantità di moto Il flusso molecolare dove sussiste una grande distanza tra le molecole, la pressione è inferiore a 0,01 mbar, il flusso avviene attraverso moti casuali e prevalgono le collisioni con le pareti del tubo. Tra questi due flussi c'è poi un flusso di transizione che descrive il passaggio da uno all'altro flusso. Le pompe da vuoto: cioè gli apparati che rendono possibile il vuoto; -caratteristiche: la conduttanza (capacità di un foro di far fluire un gas misurata in litri a secondo), la velocità di pompaggio (quanto velocemente la pompa rimuove le molecole di gas, si misura sempre in litri al secondo).

14 -le diverse tipologie di pompe: 1)pompe a spostamento di parete (pompe rotative); 2) )pompe p molecolari (pompe p a diffusione,pompe p turbomolecolari); 3)pompe a intrappolamento (pope getter,pompe criogeniche,...). Le pompe possono essere aperte o chiuse se queste sfogano o no le molecole catturate su un altro tubo o pompa. Le perdite: le reali, le virtuali, il riflusso, la permeazione, il degasamento e la diffusione. I misuratori di pressione: - diretti di tipo meccanico/elettrico gli ioni i come rilevatori. i - indiretti che operano a bassa pressione e utilizzano Le valvole: sono elementi necessarii per isolare le diverse zone dell'acceleratore dove passa il fascio di particelle. -valvole ad angolo più sicure perché in caso di problema si chiudono automaticamente -valvole lineari pratiche e semplici, basate sullo scorrimento di due cilindri metallici collegati, sono meno sicure in quanto non si chiudono senza l'ordine del sistema di sicurezza Visita finale all'acceleratore Alpi con presentazione degli elementi illustrati

15 Gli acceleratori a radiofrequenza a cavità risonanti Sfruttano corrente alternata che consente una tensione maggiore senza incorrere in scariche Tensione alternata: V=V 0 cos (ωt+φ) Il fascio viene accelerato da un campo elettrico tra due estremità di un gap accelerante I fasci vengono ripartiti in ripple cioè pacchetti di ioni che durante il passaggio per una cavità accelerante devono essere coltra che accelerati anche compressi quindi questi devono incontrare la tensione in una certa fase la quale permette un incremento maggiore dell energia cinetica degli elettroni alla fine del fascio Questi Q acceleratori sfruttano cavità acceleranti solitamente costruite in niobio raffreddato con elio liquido Inoltre per focalizzare il fascio e deviarlo si utilizzano dei magneti quadrupolari o bipolari

16 Attività di laboratorio: utilizzo di Tracewin nella preanalisi di un fascio nelle sue varie fasi: Impostazione elementi Drift: -impostazione del programma. -Valori Medi (RMS) iniziali che caratterizzano l insieme delle particelle Impostazione Emittanza ε: - Area nella quale sono messe le particelle. -L asse z è la direzione di moto delle particelle. -La velocità lungo z (Zp) viene rapportata t all energia cinetica. -L area viene descritta dal prodotto di posizione*velocità delle particelle.

17 Progetto File di Dati Dir di calcolo

18 Definizione parametri di Twiss: -Alfa=Pendenza dell elisse -Beta=Ampiezza dell elisse Si esegue il TAB Edit: -Si mette il tubo [DRIFT L R] Run: -Si preme sul tasto verde -Si controlla in output se il run è finito. -Si trasporta l elisse nel tubo. R=raggio del tubo in mm L=lunghezza del tubo in mm

19 Charts: -Si visualizzano i risultati Bordo del fascio Centro del fascio

20 Effetto del drift: -L elisse in xxp,yyp,zzp si gira in senso orario. -L elisse mantiene la stessa area, se corrente=0. -Nello spazio reale aumenta la dimensione del fascio Prima e dopo il drift

21 Trasporto particelle: -Si può trasportare particelle per avere informazioni puntuali odi distribuzione. -Dall elisse si hanno solo informazioni medie sul fascio. Effetto del Drift: Inizio, prima del drift Alla fine dopo del drift

22 Accettanza: Quadrupolo: -Si mette in edit quad [L G R] R=raggio del quadrupolo in mm L=lunghezza del quadrupolo in mm

23 oeffetto del Quadrupolo: focalizza (avvicina le particelle all asse) in un piano ma defocalizza nell altro piano. Non cambia nulla nella direzione del fascio: come un drift. Effetto del tripletto: Si focalizza su entrambi I piani (X;Y).

24 oeffetto della direzione iniziale: Dopo il tripletto il fascio si trova fuori dall asse. Svolta la presentazione e la spiegazione delle primarie funzioni del programma si sono eseguite delle prove personali col programma, variando le carratteristiche del fascio (numero di particelle,energia e frequenza) e le caratteristiche dell acceleratore (numero di Quadripoli con le loro potenze e dimensioni, i i numero e dimensione i dei tubi), in modo da consolidare le informazioni assunte e da confermare la comprensione delle nozioni presentate.

25 Conclusioni dell esperienza di stage Da questa esperienza ciè stato possibile approfondire in modo molto accurato il mondo degli acceleratori diparticelle, rendendoci più consapevoli dellegrandi e importanti basi teoriche che stanno alla base dellaloro progettazione e sviluppo. L attività fondalmente teorica è stata poi conclusa con alcune esperienze pratiche sul campo, con presa in visione di come tutte queste nozioni siano applicate in realtà. Si può quindi concludere che tale attività svolta in un ambiente così specializzato si è svolta in modo completo,,presentando sia parti teoriche che pratiche, e costruttivo, in quanto ci è servito per approfondire le nostre conoscenze ariguardo del mondodella fisica nucleare e degli acceleratori di particelle, aiutandoci in questo a chiarire quali siano le loro peculiarità, dandoci nuvi motivi di interesse verso questa area delle scienze.