ACCELERATORI DI PARTICELLE

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ACCELERATORI DI PARTICELLE

• Carlo Bernardini
• Università di Roma La Sapienza
• carlo.bernardini_at_roma1.infn.it

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Possibilità

• 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).

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Sorgenti naturali

• Cerano i raggi cosmici, apparentemente molto
  energici, ma aleatorii, mentre lenergia massima
  delle particelle alfa è solo 10 MeV.

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Acceleratori 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
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Röntgen
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.
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Van 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.

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• 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

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Acceleratore 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.
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Cockcroft-Walton

• Walton osserva le scintillazioni (1932)

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Cockcroft-Walton ISS
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Acceleratori 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.
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Cavità 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.
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Il LINAC di DAFNE (Frascati)eil LINAC del
FermiLab
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Acceleratori 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.

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Sincrociclotrone 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.

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Fermi al sincrociclotrone di Chicago
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Donald Kerst
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Betatroni

• 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.

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Sincrotroni 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.

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Luce di sincrotrone
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Elettra a Trieste
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Protosincrotroni

• 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.

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PS 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.
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Grandi 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.

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IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago
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Acceleratori 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

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La famiglia dei Mark
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Principali 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)

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Dei ex machina

• Bruno Touschek
• e
• Rolf Wideröe

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AdA
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ADONE
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DAFNE
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Problemi e difficoltà

• Problemi e difficoltà
• 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

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Repertorio 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

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• 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?

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Diagramma 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)
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(No Transcript)