MASS 08
Macchine Acceleratrici per la Scienza e la Società
Macchine Acceleratrici per la Scienza e la Società
Superconduttività e Acceleratori
D. Sertore
D.
Sertore
INFN Milano ‐ LASA
17 ottobre 2008
MASS 08 INFN Milano ‐ LASA
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Outline
• Cenni sugli acceleratori e loro applicazioni
• La scommessa della collaborazione TESLA e i risultati
• FLASH, XFEL e ILC: il contributo del LASA
• Cavità per protoni sviluppate al LASA e loro impiego nei sistemi per per la trasmutazione delle scorie radioattive
sistemi per per la trasmutazione delle scorie radioattive
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Acceleratori di particelle
Gli acceleratori di particelle sono apparati che producono fasci di p
particelle energetiche come elettroni, positroni, protoni, ioni, …
g
,p
,p
,
,
Gli acceleratori rappresentano uno strumento fondamentale di ricerca nelle scienze e nella tecnologia ed hanno permesso di
ricerca nelle scienze e nella tecnologia ed hanno permesso di ottenere successi rivoluzionari successi rivoluzionari in molti campi:
©
17 ottobre 2008
Ugo Amaldi
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Microscopia elettronica ad elevata risoluzione
La risoluzione di un microscopio ottico è limitata dalla radiazione disponibile. Le cellule viventi sono tipici oggetti di questa indagine.
Per avere risoluzioni atomiche sono necessari lunghezze d’onda più corte ottenibili con i microscopi elettronici.
In accordo alla meccanica quantistica, le particelle sono pacchetti d’onda con lunghezze d’onda definite dalla lunghezza di de Broglie
λ =h p
dove h è la costante di Planck (4x10‐15 eV.s) e p è il momento della particella
Dettagli più piccoli richiedono particelle “sonda” con lunghezze d’onda minori
‐12 m. Un fotone con Esempio: p un elettrone con un momento di 1 keV/c ha una
/
lunghezza
g
di de Broglie ≈ 4.0 x 10
g
energia e = 1 keV ha una lunghezza d’onda ≈ 1.2 x 10‐9 m. Questo implica che un microscopio elettronico ha una
risoluzione ≈ 300 migliore di un microscopio ottico
Esempio: un elettrone con momento di 1 GeV/c ha una lunghezza di De Broglie di 10‐15 m 10‐14 m dimensioni del nucleo, 10‐15 m protone, 10‐18 m quarks
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Fisica delle particelle elementari
Nella teoria della relatività speciale, Einstein mostrò l’equivalenza tra massa ed energia:
2
E = m0 c
Come conseguenza, una particella di massa m0 può essere generata se la sua energia equivalente è concentrata in un punto
se la sua energia equivalente è concentrata in un punto.
Particelle negli acceleratori che collidono tra di loro o con bersagli fissi possono creare queste situazioni
fissi possono creare queste situazioni.
From CERN web site
II collisori ad alta energia (p. es. Large collisori ad alta energia (p es Large
Hadron Collider al CERN) ricreano le condizioni dell’universo nei suoi primi istanti dopo il Big Bang quando alte densità
istanti dopo il Big Bang quando alte densità di energia erano presenti.
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La Storia dell’Universo
25 s
10‐25
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Sorgenti di fotoni ad altissima brillanza
Una particella carica ad alta energia quando viene deflessa perde p
parte della sua energia emettendo fotoni.
g
Le moderne sorgenti di luce hanno innumerevoli applicazioni nella ricerca e nell’industria tra cui:
• Analisi strutturale dei materiali
• Cristallografia delle proteine
• Fotolitografia per strutture MEMS (Sistemi Micromeccanici)
Synchrotron Radiation
Synchrotron Radiation • ...
Sources
1029
ESRF‐‐ France
ESRF
1010
105
European X‐Ray Free Electron Laser
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Produzione di neutroni
I neutroni forniscono una possibilità unica per esplorare i materiali a livello atomico. Trovano applicazioni in diversi campi:
– Per vedere gli atomi “leggeri” in biomateriali e polimeri
P
d
li
i “l
i” i bi
i li
li
i
– Per studiare le proprietà magnetiche, il moto atomico e i superconduttori
– Per misurare lo stress per l’ingegneria dei componenti
Fasci intensi di neutroni possono essere utilizzati anche Fasci
intensi di neutroni possono essere utilizzati anche
per la trasmutazione di scorie radioattive.
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L’acceleratore
Un acceleratore è costituito, generalmente, dai seguenti componenti:
• Sorgente di particelle
Sorgente di particelle
– elettroni, protoni,antiprotoni, ioni, ..
• Elementi acceleranti
– colonne elettrostatiche o cavità a colonne elettrostatiche o cavità a
radiofrequenza che creano i campi elettrici necessari per accelerare il fascio
17 ottobre 2008
• Elementi di guida
Elementi di guida
– magneti per mantenere il fascio compatto sull’orbita desiderata
• Camere da vuoto e diagnostica
Camere da vuoto e diagnostica
– per preservare il fascio e poterne correggere eventuali anomalie
• Aree sperimentali
ee spe e ta
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L’accelerazione in cavità
• Un campo elettromagnetico risuona all’interno della cavità. Il campo elettrico inverte la sua direzione con una frequenza determinata dalla forma della cavità.
• Se la particella carica è in sincronia con il campo elettrico, muovendosi da una cella all’altra trova sempre il campo accelerante nella giusta direzione e il suo guadagno di x x
energia è dato da: Egain gain = q Eacc d 17 ottobre 2008
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La superconduttività e gli acceleratori
Ciclotrone K800
Ci
l t
K800
LASA/LNS
p = q⋅B⋅R
La superconduttività permette di avere una bassa potenza dissipata.
345 MHz Cavità Spoke per RIA 345
MHz Cavità Spoke per RIA
β =0.4
•p momento della particella
•q carica
•B campo magnetico
•R raggio di curvatura
•R raggio di curvatura
1 0E 03
1.0E-03
Rattio between Nb and Cu Rs
La superconduttività permette di generare campi magnetici elevati
1.0E-04
1.0E-05
2K
4.2 K
1.0E-06
1.0E-07
1.0E-08
0
500
1000
1500
2000
f [MHz]
805 MHz Cavità per SNS
805
MH C ità
SNS
β = 0.6
Dipoli LHC
1300 MHz Cavità per FLASH
1300
MHz Cavità per FLASH
β=1 Vista del calorimetro e degli otto
toroidi nella caverna di ATLAS
2500
3000
La superconduttività RF prima di TESLA
Eacc ≈ 5 MV/m
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Tera eV Superconducting Linear Accelerator
• Una collaborazione nata alla fine degli anni ‘80 per sviluppare la tecnologia RF superconduttiva per il futuro collisore lineare g
p
p
as in 1992
Björn Wiik
Björn Wiik
• Obiettivi:
– Aumentare il campo accelerante almeno di un fattore 5 p
(limite fisico del Nb ≈ 50 MV/m)
– Ridurre il costo per MV di un fattore 20 (nuovi criomoduli e loro industrializzazione
i i
d li l
i d t i li
i
)
) 17 ottobre 2008
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La TESLA Test Facility a DESY
TTF è stata creata per provare sul “campo” le soluzioni provenienti da diversi laboratori.
Una grossa infrastruttura è dedicata alla preparazione e test delle singole cavità.
Un acceleratore lineare (TTF/FLASH) viene utilizzato per testare le cavità all’interno dei criomoduli in presenza di un fascio di elettroni.
i
d li i
di
f i di l
i
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La cavità TESLA
La cavità TESLA è costituita da 9 celle in niobio risonanti alla frequenza di 1.3 GHz
Figure: Eddy-current scanning system for niobium sheets
P
Parametri e.m. delle cavità TESLA
ti
d ll
ità TESLA
R/Q
1036
Ω
Epeak/Eacc
2.0
Bpeak/Eacc
4 26
4.26
mT/(MV/m)
T/(MV/ )
Δf/Δl
315
kHz/mm
KLorentz
≈ -1
Hz/(MV/m)2
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Figure: Cleanroom handling of niobium cavities
- Niobium sheets (RRR=300) are scanned by eddy-currents to detect avoid foreign
material inclusions like tantalum and iron
- Industrial production of full nine-cell cavities:
- Deep-drawing of subunits (half-cells, etc. ) from niobium sheets
- Chemical preparation for welding, cleanroom preparation
- Electron-beam welding according to detailed specification
- 800 °C high temperature heat treatment to stress anneal the Nb
and to remove hydrogen from the Nb
- 1400 °C high
hi h temperature
t
t
heat
h t treatment
t t
t with
ith tit
titanium
i
getter
tt llayer
to increase the thermal conductivity (RRR=500)
- Cleanroom handling:
- Chemical etching to remove damage layer and titanium getter layer
- High pressure water rinsing as final treatment to avoid particle
contamination
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Risultati delle cavità TESLA
Un miglioramento continuo e significativo di tutte le procedure di fabbricazione, preparazione ha permesso di raggiungere e superare ampiamente gli obiettivi iniziali.
<Eacc> @ Q
> @ Q0 ≥ 1010
<2007>
<2001>
2001
<1999>
<1997>
40 MV/m
Improved welding
Improved
welding
Niobium quality control
Metà delle 150 cavità realizzate fino ad ora sono prodotte dall’industria italiana
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Risultati dei criomoduli TESLA
Anche l’operazione delle cavità nell’acceleratore ha raggiunto e superato le iniziali aspettative grazie a continui miglioramenti nel design e nelle procedure di montaggio.
<Eacc> @ Q0 ≥ 1010
Module performance in the TTF LINAC
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TESLA @ LASA – Criomodulo e Cavità
TESLA @L ASA ‐ Fotocatodi
Ricerca & Sviluppo
Produzione per TTF/FLASH
Processi di fotoemissione
Processi di fotoemissione
Valigia di trasporto per fotocatodi
Valigia di trasporto per fotocatodi
Spettrometro a tempo di volo
a.
a. u.
u.
a. u
.
a. u.
Distribuzione angolare fotoelettroni
0
0. 2
0. 4
0 .6
0.8
1
Kinetic Ener gy (eV)
0.2
0 .4
0 .6
0.8
0 .8
0.6
0.4
0.2
0.2
u.
0.4
0°
a.
0.8
0.6
4
0.
0.2
10°
20°
0.6
0 8.
a.
u.
0.2
30°
0.4
0.8
0.8
0.6
40°
0.4
0.6
50°
a.
u.
0 .2
a. u.
0 .2
0 .4
60°
0 .6
0 .8
0 .6
0.2
0.4
J
MCPs
area
70°
0 .8
corona
80°
a. u .
Countts (a. u.)
sample
TOF
Processi di crescita (XPS, AES)
Processi di crescita (
XPS AES)
Cs2Te
Mo
Catodi prodotti 116
Vita media ≈ 3 mesi
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L’impulso dato dalla collaborazione TESLA
• Fisica delle Alte Energie: Leptoni e Adroni
ILC
– ILC is growing cold
–
–
–
–
IFMIF for ITER
IFMIF
for ITER
Project X @ Fermilab
SPL al CERN: neutrini & LHC upgrade
Electron coolers
• Fisica Nucleare: Ioni e Elettroni
–
–
–
–
–
–
Spiral 2
RIA Eurisol
Spes
CEBAF Upgrade
……
SNS @ ORNL
• Fisica Applicata: Elettroni e Neutroni
Fi i A li t El tt i N t i
– Spallation Neutron Sources: SNS, ESS
– 4th Generation Light Sources: European X‐FEL
– Storage Rings
– Energy Recovery Linacs: 4GLS in Europe e molti altri
– ……
Accelerator
APT
Technology
Spent Fuel
Bi Noble Metals
Subcritical
Burner
Liquid Lead
Nuclear
Technology
gy
– EuroTrans
E T
U
MS
Rare Earths
(multiple units)
• ADS for Nuclear Waste Transmutation
Spent Fuel
Pyrochemical
Processes
Proliferation
resistant, low
environmental
impact
Pu, ... (Ac) Bi
Residual Waste
to Repository
Power
Production
Power to Grid:
~ 90%
Power to Accelerator: ~10%
Figure 1
20
XFEL – European Xray Free Electron Laser
3.4km
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Interazione FLASH/XFEL
• XFEL utilizza la stessa tecnoliga sviluppata in FLASH
• XFEL accelera elettroni ad un
XFEL accelera elettroni ad un’energia
energia di circa 20 GeV (≈20 x FLASH) di circa 20 GeV (≈20 x FLASH)
per produrre radiazione a 1 Å
• Campi acceleranti medi a 23.4 MV/m
p
/
• 116 criomoduli (≈ 20 x FLASH)
• Lunghezza acceleratore 1.7 km (
Lunghezza acceleratore 1.7 km (≈ 20 x FLASH) 20 x FLASH)
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XFEL @ LASA ‐ Criomoduli, cavità, tuner, ecc.
Il contributo più significativo del LASA si incentra su questi temi principali:
Criomodulo
Cavità
Elementi acceleranti a 1.3 GHz
Tuners
Elementi acceleranti a 3.9 GHz per compensare distorsioni del fascio
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Sistemi dinamici per mantenere Sistemi
dinamici per mantenere
l’accordo in frequenza
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International Linear Collider
•
•
2 x 11km SC linac operanti a 31.5 MV/m per 500 GeV in c.m.
Iniettore centralizzato
– Damping rings circolari per elettroni and positroni
– Positroni generati da radiazione prodotta da ondulatore
•
•
Singola Regione di Interazione
Configurazione con doppio tunnel per aumentare sicurezza e disponibilità della
macchina
As at the Technology Recommendation time
31 km
ILC Reference Design – as in RDR, Feb 2007
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Interazione ILC/XFEL
• L’International Linear Collider usufruirà dell’esperienza acquisita nell’operazione ed industrializzazione di XFEL
p
• Energia per singolo linac di 250 GeV (≈ 25 x XFEL)
• ≈ 2000 criomoduli (≈ 20 x XFEL) (
)
International Linear Collider @ LASA
• Criomoduli di IV generazione
• Sistemi di accordo in frequenza per 31.5 MV/m
• Ottimizzazione dei processi di produzione delle cavità
Compensazione forza di Lorentz @ 23 MV/m
Fase
Amp.
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Modello cavità compatibile XFEL/ILC
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Acceleratori per protoni
• Diversi progetti stanno sviluppando opportuni programmi per p
poter utilizzare fasci di protoni ad alta intensità. Questo è reso p
Q
possibile dalle proprietà specifiche delle cavità superconduttive:
– Operazione RF continua o quasi continua
– Alta efficienza di conversione di energia – Grandi aperture agli iridi ‐> piccole perdite di fascio
• I fasci di protoni così prodotti trovano quindi diversi utilizzi:
– Sorgenti impulsate di protoni ad alta intensità
ESS plan
l
• Fisica dei neutrini
– Spettroscopia con fasci di neutroni
• Sorgenti di Spallazione (SNS, ESS)
– Energetica
• Trasmutazione di scorie radioattive (Accelerator Driven System)
Trasmutazione di scorie radioattive (Accelerator Driven System)
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Partitioning & Transmutation
• La radiotossicità delle scorie
prodotte dalle centrali nucleari si
riduce
d
a quella
ll del materiale
d l
l di
d
partenza (uranium ore) dopo periodi
superiori a 106 anni
Da ETWG Report, 2001
– Per non contaminare la biosfera è necessario sistemarli in depositi
geologici profondi che siano stabili
per questi tempi
• La
La separazione
separazione chimica (Partitioning) (Partitioning)
e l’irraggiamento in un flusso di
neutroni veloce e intenso in sistemi
ADS (Transmutation) può ridurre
ADS (Transmutation) può
questo tempo a 700‐1000 anni
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ADS – Accelerator Driven System
• Una possibile soluzione al problema della trasmutazione è:
– Un reattore sottocritico
– Una sorgente intensa di neutroni per spallazione
• Ovvero un fascio intenso di protoni
Rettore Sottocritico
incidente su un bersaglio
di metallo (liquido per questioni di densità di
potenza, p. es. PbBi)
• Fornisce
F i
i neutroni
t i
mancanti che
alimentano
la reazione
• Garantisce uno
spettro largo di
energia del flusso
neutronico
Acceleratore di protoni
Acceleratore di protoni
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L’acceleratore per il trasmutatore
Lo schema concettuale sviluppato con PDS‐XADS (VI Programma Quadro EU)
•Scelta di un linac superconduttivo (fascio CW!)
•Modulare:
Modulare: stesso concetto per XT
stesso concetto per XT‐ADS
ADS o EFIT (E, I)
o EFIT (E, I)
•Principali componenti tecnologici già sviluppati (es. TRASCO)
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Design dell’acceleratore @ LASA
• Dinamica di fascio per minimizzare perdite
TraceWin - CEA/DSM/DAPNIA/SACM
Ez
Et
E
Ey
Ex
0,42
0 41
0,41
0,4
Deterioramento minimo della qualità del fascio
Norm. rms emittan
nces ( Pi.mm.mrad )
0,39
600 MeV
0,38
0,37
0,36
0,35
0,34
0,33
0,32
0,31
0,3
0,29
0,28
0,27
0,26
50
100
150
Pos ition ( m )
200
250
• Reliability per minimizzare interruzioni
Analisi standard per l
Analisi
standard per l’affidabilità
affidabilità eseguite sul disegno eseguite sul disegno
concettuale
Failure Modes and Effect Analysis (FMEA) per individuare aree critiche con un approccio bottom‐up (dai componenti al sistema)
Reliability Block Diagram (RBD) per derivare (top‐down) stime di affidabilità delle differenti configurazioni, al variare del grado di ridondanza e del livello previsto di tolleranza agli errori
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Cavità per protoni @ LASA
Analisi strutturale
Z501 Test #1
Z502
10
Eacc=8.5 MV/m @ Q0=10
Disegno elettromagnetico
10
Q0
10
multipacting barriers
Cavità a 704 MHz
Design Goal
start of electron emission
10
9
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Dressed Cavity
Eacc [MV/m]
Al LASA, cavità a β=0.47 (protoni da 100 a 200 MeV) sono state progettate e costruite (TRASCO), e sono stati sviluppati i componenti ancillari (serbatoio criogenico, sistema accordo, accoppiatore). Un modulo completo è stato progettato nell’ambito di completo
è stato progettato nell ambito di
EUROTRANS.
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Criomodulo
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