Title: ACCELERATORI DI PARTICELLE
1ACCELERATORI DI PARTICELLE
- Carlo Bernardini
- Università di Roma La Sapienza
- carlo.bernardini_at_roma1.infn.it
2PossibilitÃ
- Non ci sono molte possibilità ciascuna soluzione
ha i suoi problemi. - Allinizio del 900, per usare particelle
energiche, si ricorreva alla radioattività . Le
energie disponibili (p.es., ? del Polonio) erano
inferiori a 10 MeV. - Soprattutto, non si avevano fasci di particelle
cariche (se non nei raggi catodici, di energia
insufficiente. Qualche keV).
3Sorgenti naturali
- Cerano i raggi cosmici, apparentemente molto
energici, ma aleatorii, mentre lenergia massima
delle particelle alfa è solo 10 MeV.
4Acceleratori elettrostatici
- Si iniziò con laccelerazione elettrostatica una
caduta di potenziale di 1 o più MV che accelerava
nuclei ionizzati. - La differenza di potenziale tra due elettrodi
viene usata per accelerare le particelle. - Nel caso di elettroni essi sono estratti dal
catodo e viaggiando verso lanodo positivo
acquistano unenergia uguale alla loro carica
moltiplicata per la differenza di potenziale
applicata tra catodo e anodo
DE eV
5Röntgen
Lapparecchio, realizzato da Röntgen (1 fisico
ad ottenere il premio Nobel), costituito da
unampolla a vuoto con dentro un catodo connesso
al polo negativo di un generatore di tensione,
era una sorta di acceleratore. Riscaldato
emetteva elettroni che fluivano accelerati dal
campo elettrico verso lanodo (a tensione
positiva) sul quale urtavano producendo raggi X.
6Van de Graaff
- Il principio di funzionamento è quello di un
generatore elettrostatico didattico è costituito
da un elettrodo S di forma sferica e del diametro
di alcuni metri, nell'interno del quale c'è una
cinghia di materiale isolante che per mezzo di un
motore scorre su due rulli. Un generatore G
produce una differenza di potenziale tra il
pettine C1 e l'elettrodo C2. Le cariche (per
esempio negative, il pettine C1 è collegato al
polo negativo del generatore) sfuggono da P
secondo il processo delle punte e vanno a
depositarsi sulla cinghia. La cinghia trasporta
le cariche negative nell'interno di S, dove si
trova un secondo pettine C3 collegato con la
sfera stessa. Per induzione C3 si carica
positivamente e la sfera negativamente. Le
cariche di C3 sfuggono però da esso e
neutralizzano le cariche della cinghia. La
cinghia ritorna verso il basso scarica e si
ricarica di nuovo passando davanti a C1. Mentre
la cinghia continua a girare, la sfera si carica
sempre di più. Sela carica accumulata sulla sfera
è molto elevata, può dare luogo a scariche
elettriche.
7- USI ATTUALI
- Analisi dei materiali ad es. Controllo struttura
semiconduttori emissione raggi X (usata ad es.
in storia dellarte) - Modifica dei materiali impiantazione ionica per
lindustria dei semiconduttori
8Acceleratore Cockcroft e Walton
The accelerator built by Cockcroft and Walton was
the first to be used for experiments in nuclear
physics. In this machine, protons - the nuclei of
hydrogen atoms - are released at the top of a
glass column emptied of air. As the protons have
a positive electrical charge, they accelerate as
they travel down the glass column and pass
through a series of electrically-charged metal
cylinders. At the far end of the glass tube is a
target a piece of metal or other material. The
protons collide with the nuclei of the atoms in
the target and break them into fragments. By
examining the fragments, physicists were able to
discover more about the detailed structure of
these nuclei. Cockcroft and Walton's first
experiments involved bombarding lithium atoms
with protons, resulting in the production of
helium nuclei. This first splitting of the atom
in June 1932 earned them the Nobel Prize for
Physics in 1951.
9Cockcroft-Walton
- Walton osserva le scintillazioni (1932)
10Cockcroft-Walton ISS
11Acceleratori lineari
Lidea di Ising (1924) fu applicata da Wideröe e
nel 1927 venne realizzato il primo drift tube
Linac.
PRINCIPIO Le particelle emesse da una sorgente
vengono accelerate dal campo elettrico
longitudinale generato da elettrodi in
successione.
La lunghezza dei tubi è tale che le particelle
arrivano nella gap fino al tubo successivo
quando il campo accelerante è massimo.
12Cavità a radiofrequenza
Wideröe (1928) applicare, al posto di un campo
elettrico statico un campo oscillante con
frequenza opportuna tale che la fase cambi di p
durante il tempo di volo fra due gap successive
La struttura accelerante consiste di una cavita
risonante in cui viene accumulata lenergia di
campi elettromagnetici rf. La struttura deve
essere tale che la fase dellonda
elettromagnetica sia sincronizzata al fascio.
13Il LINAC di DAFNE (Frascati)eil LINAC del
FermiLab
14Acceleratori circolari
- Poi però furono concepiti acceleratori in cui le
particelle cariche ripassavano per un potenziale
elettrico acceleratore grazie ad un campo
magnetico che le teneva su unorbita circolare o
(quasi). - Ciclotrone (orbite a spirale a frequenza di
rotazione indipendente dallenergia freq. di
ciclotrone). Energie raggiunte ? 10 15 Mev,
protoni o deutoni, fascio continuo.
15Sincrociclotrone e microtrone
- Sincrociclotroni SC (orbite a spirale, la
frequenza varia con lenergia, Accelerazione a
Radiofrequenza RF - con modulazione di
frequenza) Energie raggiunte 680 MeV, protoni o
deutoni, fascio impulsato dal ciclo RF - Microtroni o ciclotrone per elettroni (poco
diffuso). Energia ? 10 MeV.
16Fermi al sincrociclotrone di Chicago
17Donald Kerst
18Betatroni
- Betatroni macchine circolari, per elettroni, a
campo variabile di cui usano la forza
elettromotrice su unorbita opportuna. (orbite
circolari, condizione di betatrone) Energie
raggiunte ? 350 MeV.
19Sincrotroni per elettroni
- Sincrotroni per elettroni, ES (anelli magnetici a
campo variabile con impianti acceleratori a RF.)
Energie raggiunte ? 6 GeV., fasci impulsati, alto
duty-cycle, esperimenti di coincidenze possibili.
20Luce di sincrotrone
21Elettra a Trieste
22Protosincrotroni
- Il primo progetto di un acceleratore a protoni
con magnete anulare, a modulazione di frequenza
del campo elettrico e a variazione periodica del
campo d'induzione magnetica, venne formulato nel
1943 da M. L. Oliphant dell' Università di
Birmingham in Gran Bretagna. In questa stessa
università egli diresse la realizzazione di un
protosincrotrone di 1 GeV che entrò in servizio
nel 1953.
23PS in USA
Negli Stati Uniti gli studi sui protosincrotroni
sono stati intrapresi nel 1947, a seguito del
lavoro di McMillan, nei laboratori di Brookhaven
e all'Università di Berkeley. Ne risultò la
costruzione del Cosmotrone di 3 GeV e del
Bevatrone di 6,4 GeV, ultimati rispettivamente
nel 1952 e nel 1954. Queste macchine ponevano gli
americani alla frontiera della fisica delle alte
energie.
24Grandi Sincrotroni per protoni
- Sincrotroni per protoni, PS (anelli magnetici a
campo variabile, RF modulata in frequenza)
Energie raggiunte 1 TeV e oltre. Fascio impulsato
con alto duty-cycle.
25IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago
26Acceleratori lineari
- Acceleratori lineari, LINAC (guide donda con
controllo della velocità di gruppo per restare in
fase con i pacchetti del fascio) Per elettroni
50 GeV, Stanford SLAC, lunghezza 2 miglia per
protoni 1 GeV
27La famiglia dei Mark
28Principali innovazioni
- Principali innovazioni nel corso dei tempi
- a)lidea del betatrone è di Rolf Wideroe,
sviluppata da Donald Kerst nel 1940 - b)McMillan nel 1945 e Veksler nel 1944,
comprendono la stabilità di fase - c)Hansen nel 1948 usa cavità da LINAC
- d)Christofilos nel 1950 inventa il focheggiamento
forte - e) Wideröe inventa (1943) e Touschek (1960)
realizza i colliders (AdA)
29Dei ex machina
- Bruno Touschek
- e
- Rolf Wideröe
30AdA
31ADONE
32DAFNE
33Problemi e difficoltÃ
- Problemi e difficoltÃ
- i)scariche elettriche negli acc. elettrostatici
- ii) sorgenti di ioni (ciclotroni e
sincrociclotroni) - iii)estrazione del fascio (peeler)
- iv)radiazione di sincrotrone (betatroni)
- v)pompe da vuoto
- vi)fasci di positroni
- vii) fasci di antiprotoni e cooling
- viii) problemi di duty cycle
34Repertorio di formule di base(in CGS di Gauss!)
- P momento
- e carica dellelettrone o del protone (in
modulo) - m massa della particella accelerata
- c velocità della luce
- B induzione magnetica
- R raggio dellorbita
- E energia totale (cin rest) delle paricelle
accelerate - ? velocità angolare (detta di ciclotrone)
- n indice di campo
35- P (e/c)BR ? P (MeV/c)
- 300 B (weber/m2)R (m)
- eB/mc se E mc2ltltmc2
- altrimenti ? eBc/E
- n d(logBvert)/d(logR)
- 0 lt n lt 1 ? focheggiamento debole
- ?n? gt 1 (ma alternato) ? focheggiamento forte
- Perdita di energia per radiazione di sincrotrone
? E4/R - Frequenza massima radiaz. di sincr. ? (E/mc2)3?
36Diagramma dellenergia degli acceleratori dal
1930 al 2010
LHC
TEVATRON
SppS
LEP
E2CM/(2mP)
HERA
ISR
Un incremento di 3 ordini di grandezza ogni 20
anni
(Livingston Chart)
37(No Transcript)