Laboratori Nazionali di Legnaro. Stage estivo

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1 Laboratori Nazionali di Legnaro Stage estivo

2 Modulo III Introduzione ai principi di funzionamento degli acceleratori di ioni a radiofrequenza Gruppo Morbiato Gianluca Trolese Alessandro

3 Presupposti teorici alla base del funzionamento: Elettromagnetismo i criogenia vuotot

4 Alcune concetti essenziali Fisica = studia i diversi fenomeni naturali allo scopo di elaborare previsioni sul futuro si preoccupa fornire una descrizione non soltanto qualitativa ma anche quantitativa della realtà, ciò non limitata all analisi delle proprietà ità osservate, ma completata ltt da misurazioni i i e dti dati statistici. ttitii Grandezze fisiche = caratteristiche misurabili di un fenomeno Legrandezze fisichepiù importanti sono: forza = agente responsabile di un cambiamento, di posizione o di velocità per esempio energia = capacità o la possibilità bl di realizzare un cambiamento, determinata dallo stato o dalla posizione in cui si trova un corpo le forzepossonoesercitarsi: i percontatto diretto con l oggetto, come l attrito a distanza cioè influire su un corpo attraverso una perturbazione dello spazio

5 Campo Per campo si intende la perturbazione dello spazio derivata dall azione di forze a distanza. Tale influsso si esercita attraverso delle linee di forza, rette immaginarie lungo cui si trasmette all infinito l azione della forza a distanza. I principali campi sono il campo gravitazionale e il campo elettromagnetico, entrambi dovuti all azione azione di una forza a distanza su una specifica proprietà intrinseca della materia: la massa e la carica (positiva o negativa)

6 Campo elettrico Un campo elettrico è prodotto dall interazione tra oggetti dotati di carica. Cariche di segno opposto si attraggono, viceversa cariche dello stesso segno si respingono. Non tutti i punti del campo subiscono la stessa forza; si istaura pertantouna differenza di potenziale o tensione. I i l i i i bili l ll d il I campi elettrici possono mantenersi stabili nel tempo, e allora prendono il nome di campi elettrostatici, o variare, e in questo caso sono definiti alternati

7 Campo magnetico La presenza di un magnete dipolo, comprendente cioè un polo Nord e un polo Sud, genera correnti che si muovono come linee di forza da Nord a Sud. L unità di misura è tesla (T), con 1T=10 4 Gauss In un campo magnetico agisce su qualsiasi corpo, purché carico elettricamente e in moto, una forza, la forza di Lorentz, con direzione i perpendicolare sia al campo B sia alla velocità v del corpo, detto l angolo compreso tra queste due grandezze, allora

8 Campo elettromagnetico Esiste una relazione che lega campo elettrico e campo magnetico: l induzione elettromagnetica. Tale fenomeno è descritto nella legge di Faraday Neumann, secondo cui una varizione temporale del flusso di un campo magnetico induce una differenza di potenziale a sua volta causa di un campo elettrico. J.C.Maxwell dimostrò che anche una variazione temporale del campo elettricogenera un campo magnetico In base a questo assunto, campo elettrico e magnetico si influenzano e inducono a vicenda.

9 La criogenia si occupa della ricerca e dello sviluppo di materiali e strutture in grado di operare a temperature ultrafredde, al di sotto di 123 K ( 150 o C). Le tecniche di criogenia trovano Le tecniche di criogenia trovano impiego soprattutto in impianti criogenici per la produzione di elio o azoto liquido.

10 Elio e azoto liquido trovano applicazione all interdo degli acceleratori lineari di particelle (linac), nei cosiddetti criostati per raffreddare le cavità acceleranti racchiuse al loro interno. A temperature prossime allo zero assoluto metalli come il niobio assumono proprietà superconduttive cioè non oppongono più alcuna resistenza al passaggio di corrente elettrica

11 Si definisce vuoto uno spazio in cui la pressione è minore di quella atmosferica (1.01* Pa) A seconda del valore della pressione si distingua uno stato A seconda del valore della pressione, si distingua uno stato di basso, medio, alto e ultravuoto fino a un massimo sinora raggiunto di Pa

12 Pompe da vuoto Allo scopo di impedire i fenomeni di perdita di gas, vengono impiegate specifiche pompe, le pompe da vuoto. pompe aperte, costituite da una bocca di scarico e una di entrata meccaniche diffusione turbopompe

13 pompe chiuse, dotate soltanto di una bocca di entrata getters evaporabili e non evaporabili, criopompe

14 Sorgente di ionii Negli acceleratori di protoni o in generale di ioni la sorgenteè costituita da unacella contenente l elementoche lelementoche si vuole accelerare in forma gassosa. Esso viene colpito da un fascio di elettroni di energia cinetica almeno uguale all energia di ionizzazione del gas, che ne causa la ionizzazione. Attraverso campi magnetici, il fascio viene diretto dalla sorgente a tubo dell acceleratore.

15 Focalizzazione i del dlfascio A cause delle forze di repulsione elettrostatiche tra particelle della stessa carica, gli ioni del fascio accelerato tendono ad allontanarsi gli uni dagli altri. Per impedire che il fascio si apra, si impiegano quadrupoli, apparecchi costituiti da quattro magneti avvolti da bobine, in grado di indurre forti campi elettromagnetici.

16 Accelerazione del fascio Il fascio carico elettricamente viene accelerato mediante l utilizzo di un campo elettromagnetico di carica opposta a quella degli ioni. i Questo processo avviene all interno di specifiche strutture, le cavità acceleranti. Una sequenza di gap, particolari elettrodi disposti in queste cavità, alterna campi elettrici di segno opposto. Le particelle sono attratte da un primo elettrodo e accelerano in direzione di esso; a questo punto l elettrodo induce un campo di segno uguale a quello della particella, allontanandola per repulsione elettrostatica. Il fascio si dirigei verso il secondo elettrodo che ripete processo avvenuto nel primo.

17 Strumenti impiegati: Network Analyzer Cavità risonante in alluminio Pallina sostenuta da carrucola Esperienza Sollecitando la cavità mediante l oscilloscopio oscilloscopio, sono stati registrati i picchi di risonanza e rilevate le loro frequenze, facendo attenzione a non confonderli col rumore.

18 In seguito è stato calcolato il fattore di qualità Q associato. Tale valore si ricava tramite la formula: Dove Δf sta per la differenza tra due frequenze corrispondenti i aunabbassamento di 3 db rispetto al picco di frequenza f 0. I risultati sono presentati nella seguente tabella.

19 Risultati esperienza tabella Frequenza dei picchi di risonanza (GHz) Valore di Q

20 La risonanza della cavità è determinata dalla sua geometria; abbiamo modificato tale geometria attraverso lo spostamento di una pallina posta all interno dll dellacavità. ià Il campo elettrico E interno varia aseconda dll della posizione ii occupata dalla pallina; si registra quindi una serie di frequenze f n, ciascuna associata a una posizione X della pallina.. Il valore del campo si modifica seguendo la relazione: Dove f 0 indica la frequenza emessa quando la pallina si trova agli estremi della cavità.

21 Allo scopo di verificare se un ftt fattore di qualità Q è conveniente, è stata calcolata l intensità del campo elettrico della cavità nelle varie posizioni, usando due diversi valori di f 0, scelti tra le misure registrate nella tabella precedente. Con i risultati ottenuti è stato realizzato un grafico.

22 Risultati esperienza grafico E (*10 3 ) fo=1,28998ghz fo=1,82682ghz 5 0 f0 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 X

23 Sievidenziacomelacapacitàaccelerantediunacavitànon dipenda dal fattore di qualità Q ma dall andamento che il campo segue all interno della cavità. Infatti il grafico della frequenza associato al valore massimo di Q presenta un campo sfavorevole in quanto un eventuale fascio di ioni in transito in essa subirebbe prima un accelerazione e poi una decelerazione in quanto incontrerebbe un campo della sua stessa carica.

24 Esperienza Introduzione all utilizzo del software TraceWin TraceWin è un programma mediante il quale è possibile visualizzare il comportamentodiunfasciodi particelle a seconda dei parametri forniti.

25 Emittanze Progetto File di Dati Dir di calcolo Tipo di particella Energia iniziale del Fascio Frequenza del Fascio, Tempo del fascio Frazione del tempo nel quale l acceleratore è in funzione

26 Esperienza Funzionamento di un quadrupolo singolo e del campo magnetico all interno di esso. Con l alimentatore si induce la corrente elettrica nel quadrupolo econ il Gaussmetro si misura il campo magnetico. Un quadrupolo focalizza il fascio in una sola direzione, i per questo si utilizzano i ti tripletti ltti quadrupolari.