Gli acceleratori e i rivelatori di particelle

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1 Gli acceleratori e i rivelatori di particelle

2 Come studiare le proprietà dei NUCLEI? Facendoli collidere tra loro!!!! Informazioni: Dimensioni e struttura del nucleo Forze nucleari Meccanismi di reazione nucleare

3 Alcune reazioni nucleari che conosciamo: Au + Au Diffusione elastica N p + O Al n + P

4 Fondato nel Laboratori Nazionali 23 Sezioni 8 Gruppi collegati INFN

5 LNF Fisica delle particelle DAFNE Double Anular Factory for Nice experiments

6 LNGS Fisica dei neutrini

7 LNL Fisica nucleare TANDEM LINAC ALPI (Acceletaore Lineare Per Ioni)

8 LNS Fisica nucleare CICLOTRONE TANDEM (1983)

9 TANDEM Stripper Sorgente di ioni + Ioni -1 0 MV + 15 MV 0 MV Gli ioni positivi prodotti dalla sorgente attraversano un gas neutro che ha un elettrone poco legato. Circa l 1% degli ioni catturerà gli elettroni del gas diventando negativi. Gli ioni negativi vengono accelerati dal terminale ad alto voltaggio posto al centro della camera a pressione. Attraversano quindi un foglio (tipicamente carbonio dello spessore di circa 50 μg/cm2) che strappa (n+1) elettroni. Gli ioni positivi risultanti vengono quindi nuovamente accelerati dallo stesso alto voltaggio. L energia cinetica risultante è E = [(q+1) * V ] ev. Valori tipici di V sono dell ordine di 10MV-15MV.

10 LINAC In un acceleratore lineare le particelle ricevono molte accelerazioni da un potenziale oscillante; Le particelle viaggiano attraverso una serie di elettrodi tubolari che cambiano polarità durante il passaggio delle particelle al loro interno, in modo da accelerarle nel passaggio dei gaps.

11 CICLOTRONE Nel ciclotrone gli ioni sono immersi in un campo magnetico e seguono traiettorie circolari in due camere di metallo semicircolari chiamate D connesse a un potenziale oscillante. Quando gli ioni sono all interno dei D sentono solo il campo magnetico e la loro traiettoria è circolare. Nel gap tra le due D vengono accelerati da un campo elettrico. Ad ogni semigiro il campo elettrico tra le D viene invertito.

12 LABORATORI NAZIONALI del SUD CHIMERA MAGNEX MEDEA CATANA TANDEM CICLOTRONE SORGENTE

13 I Rivelatori di particelle Come vediamo le particelle? Con i Rivelatori Permettono di trasformare le particelle in impulsi elettrici che possiamo acquisire e studiare Si sfrutta la capacità che hanno le radiazioni di ionizzare/eccitare la materia (direttamente o indirettamente). Rivelatori a gas Rivelatori al silicio Rivelatore a scintillazione Rivelatore a gas

14 Interazione radiazione carica - materia M, q=z 1 Z 2 electrons, q=-e 0 Le particelle cariche interagiscono con gli elettrini degli atomi costituenti il rivelatore, perdendo la loro energia. Gli atomi verrano ionizzati o eccitati. Atomi ionizzati Rivelatori a gas Creazione coppie di ioni negativi-positivi Rivelatori a semiconduttore Creazione elettrone -lacune + - +

15 Interazione radiazione carica - materia M, q=z 1 Z 2 electrons, q=-e 0 Le particelle cariche interagiscono con gli elettrini degli atomi costituenti il rivelatore, perdendo la loro energia. Gli atomi verrano ionizzati o eccitati. Atomi eccitati => emissione di radiazioni X L impulso di luce prodotto dalla diseccitazione viene poi rivelato ed amplificato da opportuni sensori, ad esempio da un fotomoltiplicatore. radiation

16 Interazione radiazione neutra (raggi X, raggi g) - materia Ionizzazione indiretta: Un raggio X/g-ray colpisce un cristallo esso può essere assorbito da un atomo e liberare un fotoelettrone; Il fotoelettrone interagirà con il reticolo cristallino producendo coppie elettrone lacune, perdendo la sua energia. Rivelatori a semiconduttore: 1. Silicilio-Litio 2. Germanio

17 Interazione neutroni - materia I neutroni a differenza delle particelle cariche e dei fotoni non interagiscono con gli atomi. Le reazioni di cattura radiativa (n,γ) n + 59 Co 60 Co + γ Reazioni nucleari con produzione di particelle cariche n + n + 3 2He 5 B H + p 7 3 Li +

18 Apparati di rivelazione ai LNS CHIMERA

19 Apparati di rivelazione ai LNS MEDEA

20 Apparati di rivelazione ai LNS MAGNEX

21 Apparati di rivelazione ai LNS CT-2000

22 Dall esperimento al risultato scientifico bersaglio proiettile Rivelatore Conversione Analogico-Digitale Interpretazione dei risultati Memorizzazione Analisi Pubblicazione

23 Intensità del % danneggiamento dose response Applicazioni acceleratori. Protonterapia Radioterapia convenzionale 120 Protonterapia MV X-rays MeV protons 20 MeV electrons cobalt depth cm of water Profondità (mm) E max = 62 MeV Profondità massima = 2.5 cm in acqua

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25 VAN de GRAAF

26 Accelerare i neutroni