STAGE DI FISICA EDIZIONE 2011
MODULO A: ACCELERATORI DI PARTICELLE
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE – LABORATORI
NAZIONALI DI LEGNARO
Paolo Matteo Simonetti
ISIS ‘’Galileo Galilei’’ - Belluno
Benedetta Piva
Liceo Scientifico ‘’Duca degli
Abruzzi’’– Treviso
Gianmarco Sarto
Liceo Scientifico ‘’Carlo Cattaneo’’ – Monselice (PD)
CIO’ DI CUI PARLIAMO:
Acceleratori di particelle:
-cosa sono
-tipi di acceleratori
-come sono strutturati
-a cosa servono
Fasci di particelle:
-cosa sono
-come si comportano
Tecnologia del vuoto:
-cos’è il vuoto
-perché il vuoto
-come si ottiene
Software ‘’Tracewin’’
ACCELERATORI DI PARTICELLE
L’acceleratore di particelle è una macchina in grado di accelerare
particelle elettricamente cariche dette IONI.
Gli elementi principali di questa macchina sono:
-fonte di particelle (ioni)
-camera a vuoto
-dispositivo di focalizzazione
-dispositivo di accelerazione
-dispositivo di misura
-bersaglio fisso (oppure un altro fascio)
TIPI DI ACCELERATORI
-elettrostatici
Sfruttano un
campo elettrico
costante nello
spazio e nel
tempo.
-a cavità risonanti
Il campo elettrico è
variabile, ad alta
frequenza.
-circolari (ciclotroni e sincrotroni)
Utilizza un magnete per
mantenere in traiettoria
lo ione.
PERCHE’ ACCELERIAMO PARTICELLE?
Vogliamo conoscere la struttura della
materia
Non essendo possibile sbirciare
all’interno del nucleo…
…spacchiamo tutto!
gli IONI
FASCI DI PARTICELLE
La sorgente produce un fascio con ioni ognuno
lanciato con angolo divergente rispetto agli altri.
Il fascio tende a disgregarsi.
Per evitare che questo accada si
utilizzano combinazioni di
magneti.
Che sfruttano il principio della
forza di Lorentz mantenendo in
traiettoria gli ioni
F = qv x B
Sfruttando una particolare combinazione
della Forza di Lorentz, prodotta dagli
elettromagneti del quadrupolo,
Otteniamo il FOCHEGGIAMENTO
del fascio.
Ma tutto questo funziona solo in
presenza di una particolare
condizione… IL VUOTO!
TECNOLOGIA DEL VUOTO
Parliamo di vuoto quando la pressione all’interno di una cavità è
minore alla pressione atmosferica (P<Patm).
Per il funzionamento di un acceleratore di particelle è necessario l’ultra
alto vuoto, per evitare che gli ioni collidano, durante il loro tragitto,
con le particelle costituenti l’aria o eventuali altri gas deviando il loro
percorso.
L’ultra alto vuoto si raggiunge solo attraverso una serie di passaggi
graduali. Per far ciò si utilizzano differenti tipi di pompe.
-pompe meccaniche (per il basso vuoto)
-pompe turbomolecolari (per l’alto vuoto)
-pompe criogeniche (per l’ultra alto vuoto)
Le POMPE MECCANICHE agiscono
attraverso pistoni e palette per espellere
il gas dopo averlo compresso
Le POMPE TURBOMOLECOLARI, ruotando
ad alta velocità, catturano ad una ad una
le molecole e le obbligano a seguire un
certo percorso verso l’esterno.
Le POMPE CRIOGENICHE sono dotate di
una punta fredda sulla quale si
depositano (e vi rimangono) le molecole
di gas residue.
Software TraceWin
Questo software nasce dalla necessità di spiegare il moto del
fascio all’interno dell’acceleratore.
Il fascio è un insieme di particelle cariche (ioni) le quali si
muovono all’interno di una macchina chiamata acceleratore.
Per capire come si
muovono gli ioni
serve un modello
ideale che descriva
moto delle
particelle.
Questo modello
matematico può essere
rappresentato da un
ellisse che evolve nel
tempo e nello spazio.
La fisica coinvolta per
capire il moto delle
particelle sono le leggi
della dinamica (F=m*a) e
dell’elettro magnetismo
(F=q(E+VxB))
L’ellisse rappresenta la posizione
del fascio e la sua direzione
all’interno dell’acceleratore per ogni
coordinata spaziale.
Quindi con tre ellissi si può mostrare il moto completo
del fascio in X,Y,Z
L’ascissa mostra la larghezza del fascio mentre l’ordinata indica
l’insieme delle direzioni delle particelle.
Comportamento fascio visto lateralmente
Avanzamento di fase dell’ellisse (TUBO) e
avanzamento di fase dell’ellisse (QUADRUPOLO)
Cos’è TraceWin?
Il software TraceWin permette di calcolare e vedere graficamente
l’evoluzione del fascio tramite ellissi nell’acceleratore.
Il software calcola inoltre il moto di un insieme macroparticelle nell’acceleratore, ogni macro-particella raccoglie il
moto di centinaia di migliaia di ioni
TraceWin è stato
ideato dalla
commissione per
l’energia atomica
francese (CEA)
Lo studio per la
crezione del codice ha
come fautore D.
Uriot.
Perché si usa TraceWin?
TraceWin viene utilizzato per comprendere il comportamento del
fascio all’interno dell’acceleratore e per simulare i suoi
comportamenti prima che questi siano verificati empiricamente.
Inoltre la sua applicazione è utilissima per la progettazione
di nuovi acceleratori e le loro applicazioni nel futuro. Ad
esempio: IFMIF, ESS, e altri ancora.
Come si utilizza TraceWin
Si descrivono le caratteristiche del
fascio, ad esempio per una ellisse
vengono indicati i semiassi e
l’inclinazione
Vengono poi inseriti dei parametri
che vengono tradotti graficamente.
Questa descrizione funziona
anche per rappresentare
l’insieme di particelle.
Gli elementi del fascio
sono inseriti tramite
parole come DRIFT per
indicare un tubo di fascio
e QUAD per un
quadrupolo
Relazione tra esperimento e realtà
Il grafico mostra quante particelle in percentuale vengono perse
lungo un LINAC (ALPI) e sono misure sperimentali.
Le linee rappresentano il risultato delle simulazioni, con ipotesi
di diverse dispersioni di energia.
Potenzialità applicative di TraceWin
In conclusione l’utilizzo di questo
software agevola il lavoro di fisici e
ingegneri in quanto dà la possibilità di
prevedere comportamenti e evoluzioni in
vista di una migliore e più efficace
ottimizzazione nella costruzione di
acceleratori futuri accorciando
notevolmente i tempi di ricerca.
GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE!!
