Gli acceleratori di elettroni

Scuola Nazionale
Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie, Astrofisica ed Applicazioni Spaziali
INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, 26-30 Marzo 2007
Gli acceleratori di elettroni
Piergiorgio Fuochi
[email protected]
Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Via P. Gobetti, 101 - 40129 Bologna
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Gli acceleratori di elettroni
Piergiorgio Fuochi
ISOF-CNR
Gli acceleratori di elettroni
macchine che convertono energia elettrica in corrente elettronica,
sono intrinsecamente sicuri, precisi, facilmente controllabili,
contrariamente alle sorgenti radioattive, possono essere accesi o spenti a piacere.
Inoltre le energie del fascio di elettroni e la potenza erogata possono essere modulate
su un ampio intervallo.
Il loro notevole sviluppo cominciò nella seconda metà degli anni cinquanta grazie ai
notevoli progressi dell’industria elettronica stimolata dalle ricerche sui radar che
permisero la costruzione di acceleratori di elettroni più affidabili e potenti a costi
ragionevoli.
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Gli acceleratori di elettroni
Attualmente circa 1000-1200 acceleratori di elettroni, con energie comprese tra
0,15 e 10 MeV, sono installati nel mondo e utilizzati per applicazioni industriali. Il
limite di 10 MeV è dovuto al fatto che energie superiori possono indurre
radioattività nei materiali da trattare e pertanto 10 MeV è il limite massimo di
energia per gli acceleratori utilizzati negli impianti commerciali (v. Tabella I)
Tabella I. – Energia di soglia per processi fotonucleari (γ, n) per vari tipi di materiali*
Nucleo
Energia di soglia (MeV)
12C
18,7
14N
10,5
16O
15,7
27Al
13,1
40Ca
15,7
54Fe
13,6
65Cu
9,91
70Zn
9,20
90Zr
12,0
204Pb
8,20
*Le reazioni (e,n) hanno gli stessi livelli di soglia
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Gli acceleratori di elettroni
Data la loro natura corpuscolare e la loro carica elettrica, gli elettroni sono meno
penetranti dei raggi γ e dei raggi X aventi la stessa energia: la profondità di
penetrazione utilizzabile (range utile) r di un fascio di elettroni avente energia E
(E>1MeV), per l’irraggiamento di un materiale avente densità ρ, è data
dall’equazione:
r =E/3ρ
Tabella II. Percorso (range) massimo di elettroni accelerati in materiali diversi
Energia degli
elettroni
(MeV)
Range massimo
in aria
in acqua
in alluminio
in piombo
(cm)
(mm)
(mm)
(mm)
30
109
132
53.8
10.2
10
43.1
49.8
21.7
5.42
1
4.08
4.37
2.05
0.69
0.1
0.13
0.14
0.069
0.027
0.01
0.0024
0.025
0.0013
0.00073
(20°C, 1atm)
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Gli acceleratori di elettroni
I fasci di elettroni, pur avendo un minor potere di penetrazione rispetto ai raggi X o γ,
hanno ratei di dose e potenze molto più elevate. Ad es. ratei di dose di 4 kGy/h sono
tipici di una sorgente da 1 MCi di 60Co o di un fascio di raggi X prodotti da un
acceleratore di elettroni da 200 kW e 5 MeV di energia, mentre con un acceleratore di
elettroni da 50 kW e 10 MeV si può avere un rateo di dose di 5 kGy/s.
Gli acceleratori possono essere di vario tipo, tuttavia alcune caratteristiche e
principi costruttivi sono comuni a tutti. Gli elettroni emessi da un catodo sono
accelerati all’interno di un tubo sotto vuoto da un campo elettrostatico oppure da un
campo elettromagnetico e “sparati” all’esterno del tubo acceleratore attraverso una
sottile finestra di titanio (qualche decina di µm di spessore) sotto forma di un fascio
che va a colpire il prodotto da irraggiare. In questo modo possono essere generati
fasci di elettroni con energie e intensità di correnti elevate.
Voltaggio, e quindi energia, e corrente del fascio sono i due parametri che
caratterizzano un acceleratore. Il primo determina il potere di penetrazione degli
elettroni nel prodotto mentre, a parità di voltaggio o energia, la corrente del fascio
determina, in proporzionalità diretta, la quantità di prodotto che può essere
trattato.
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Vari tipi di acceleratori
Classificazione degli acceleratori: o in base al modo di operare o in base all’energia
degli elettroni emessi.
Nel primo caso gli acceleratori si distinguono:
in acceleratori operanti in corrente continua (DC) o ad “azione diretta”,
in acceleratori a radiofrequenza (RF) o ad “azione indiretta”.
Negli acceleratori in corrente continua una differenza di potenziale applicata
direttamente tra la sorgente di elettroni (catodo) e l’elettrodo opposto (anodo) viene
usata per accelerare gli elettroni, come nelle macchine elettrostatiche, oppure
trasferita induttivamente agli elettroni come nelle macchine a trasformatore.
L’energia finale degli elettroni prodotti dagli acceleratori in corrente continua è
direttamente proporzionale alla differenza di potenziale che esiste nel tubo
acceleratore. Negli acceleratori a radiofrequenza invece, gli elettroni vengono
accelerati passando sempre attraverso un campo elettrico, non più statico, ma
alternato
perché
associato
alla
componente
sinusoidale
di
un’energia
radiofrequenza (RF).
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a
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Vari tipi di acceleratori
La classificazione più appropriata degli acceleratori è quella fatta in base all’energia
del fascio degli elettroni, in quanto l’energia determina la profondità di penetrazione
della radiazione e quindi il settore di utilizzo. Secondo questo metodo gli acceleratori
sono suddivisi in tre gruppi:
a.
acceleratori di bassa energia (0,15-0,5 MeV),
b.
acceleratori di media energia (0,5-5 MeV),
c.
acceleratori d’alta energia (5-10 MeV).
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Acceleratori di bassa energia
(150 a 500 keV)
Sono macchine elettrostatiche, piccole e compatte con schermatura per le radiazioni
che è parte integrante della macchina così da poter essere incorporate facilmente sia
in linee di produzione nuove che in impianti preesistenti. Avendo i loro fasci bassa
capacità di penetrazione, trovano esclusivamente impiego per trattamenti in
superficie e per irraggiare rivestimenti e film sottili.
In base al modo con cui sono costruiti gli acceleratori di bassa energia vengono così
suddivisi:
a. Acceleratori a scansione
b. Acceleratori a cortina
c. Acceleratori a multicatodo
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Acceleratori di bassa energia
(150 a 500 keV)
Schema di acceleratore a cortina Electrocurtain®
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Acceleratori di media energia
I componenti principali
dell’acceleratore sono:
Schema semplificato di un acceleratore in
Corrente Continua (DC)
un
generatore
tensione,
di
alta
una sorgente di elettroni,
un tubo sotto vuoto spinto
dove
gli
elettroni
sono
accelerati da una serie di
elettrodi con
tensioni
a
gradini a crescere tra il
catodo con voltaggio negativo
ed il potenziale di terra,
un sistema di scansione del
fascio su tutta la superficie da
irraggiare nel caso di superfici
estese.
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Acceleratori di media energia
Il Dynamitron utilizza un
sistema di rettificatori in
cascata ad accoppiamento
parallelo per creare alta
tensione
Schema dettagliato di un acceleratore elettrostatico tipo Dynamitron
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Acceleratori di media energia
Schema di acceleratore Van de Graaf.
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Acceleratori di media energia
Gli acceleratori del tipo ILU operano a radiofrequenza utilizzando una cavità toroidale
risonante, formata da due parti delle quali una entra parzialmente nell’altra, montate
all’interno di un serbatoio in acciaio sottovuoto.
Elementi fondamentali di un
acceleratore di tipo ILU:
1) serbatoio contenitore,
2) cavità risonante,
3) bobina induttiva,
4) bobina di scansione,
5) iniettore di elettroni,
6) camera di scansione
“scanner”,
7) antenna di misura RF,
8) oscillatore.
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Acceleratori di alta energia
L’utilizzo di campi elettrostatici per accelerare
elettroni porta ad una limitazione delle energie
raggiungibili
(<5
MeV
e
con
particolari
accorgimenti fino a circa 8 MeV) a causa di
problemi di isolamento che insorgono nelle
strutture isolanti allorché queste sono sottoposte a
tensioni statiche superiori al milione di eV per
metro.
Questi limiti elettrostatici sono agevolmente
superati
usando
tensioni
alternate,
che
permettono di ottenere sia l’accelerazione ciclica,
sia campi elettrici molto più elevati senza
perforazione degli isolanti.
Gli
acceleratori
lineari
si
distinguono
in
acceleratori lineari a onda viaggiante (Figura a
destra) e a onda stazionaria.
Rappresentazione schematica di un
acceleratore lineare ad onda
viaggiante
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Acceleratori di alta energia
A destra:
Schema a blocchi
acceleratore lineare
di
un
A sinistra:
Struttura
di
elettronico
un
cannone
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Acceleratori di alta energia ad onda viaggiante
Gli elettroni viaggiano nella guida, in cresta all’onda o non lontano dalla cresta, in
modo da usufruire della massima intensità del campo acceleratore e quindi
sottoposti in continuazione a un campo acceleratore Ez(z)cosϕ(z) (dove Ez è il
valore di cresta e ϕ la fase del pacchetto di elettroni rispetto alla cresta, ambedue
in genere variabili con z), ed escono dalla guida lunga L con un incremento
d’energia dato dalla relazione:
L
∫
eV = e E z ( z ) cos ϕ ( z )dz
0
Modo TM0,1 in una guida circolare liscia. Le linee a tratto pieno
rappresentano il campo elettrico, le tratteggiate il campo magnetico 16
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Acceleratori di alta energia- Il Klystron
Funzionamento schematico di un klystron
Il cannone elettronico
produce un flusso di elettroni.
Le cavità d’impacchettamento regolano la velocità
degli elettroni in modo da farli arrivare in pacchetti
all’uscita della cavità.
I pacchetti di elettroni all’uscita della cavità
klystron generano le microonde (RF).
Le microonde fluiscono nella guida d’onda
trasporta all’acceleratore.
del
che li
Gli elettroni sono assorbiti nell’assorbitore del fascio
.
http://www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerators/klystron.html
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Acceleratori di alta energia- Il Magnetron
Magnetron sezionato
è composto da un anodo, una camera in rame con sezione circolare circondata da
lobi o fori e da fessure, costituenti una cavità risonante. Questi lobi e fessure
funzionano come circuiti risonanti LC, dove il foro sostituisce l'induttanza L e la
fessura sostituisce la capacità C.
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Acceleratori di alta energia-Il Magnetron
L’interazione degli elettroni, emessi dal catodo, con il campo elettrico continuo, che
ne aumenta la velocità, e con il campo magnetico, che li fa deviare dalla traiettoria
rettilinea,induce un flusso di corrente alternata nelle cavità risonanti dell’anodo e
provoca l’erogazione di energia tale da generare un campo RF.
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Acceleratori di alta energia ad onda stazionaria
L’acceleratore lineare ad onda stazionaria conccsiste di una sezione acceleratrice, un tubo
sotto vuoto spinto, in cui si trovano diverse cavità risonanti isolate alternativamente tra
loro e collegate ad un generatore di tensione alternata, e di una sorgente di elettroni, un
triodo. Dal catodo di questo triodo, mediante un opportuno sistema di pilotaggio, viene
emesso un fascio di elettroni nel momento in cui le tensioni applicate alle cavità risonanti
dispari hanno segno positivo (contemporaneamente le cavità pari saranno caricate
negativamente). Il fascio di elettroni viene così accelerato verso la prima cavità caricata
positivamente e la attraversa. Mentre percorre questa cavità i segni dei campi elettrici di
tutte le cavità vengono invertiti, per cui il fascio di elettroni uscendo dalla prima cavità
(figura A), che intanto è diventata negativa, viene nuovamente accelerato verso la
seconda cavità che ora è carica positivamente. Mentre il fascio attraversa la seconda
cavità (figura B), si invertono nuovamente tutti i campi elettrici e gli elettroni vengono
ulteriormente accelerati verso la cavità successiva (figura C)e così via. Se la fase fosse
sbagliata, cioè la cavità fosse carica negativamente all’arrivo degli elettroni, questi
sarebbero respinti. Poiché il generatore di tensione lavora a frequenza costante e d’altra
parte gli elettroni all’ingresso delle successive cavità possiedono velocità sempre
maggiori, le cavità diventano sempre più lunghe in modo che le particelle escano dalle
cavità stesse in fase con la tensione o campo elettrico. Una volta che le particelle hanno
raggiunto la velocità della luce, la lunghezza delle cavità successive rimane costante e
l’energia degli elettroni aumenta per l’aumentare della massa relativistica della particella
stessa.
Fig. A
Fig. B
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Fig. C
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Acceleratori di alta energia-Il Rhodotron
Acceleratore Rhodotron® della IBA
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Acceleratori di alta energia-Il Rhodotron
Gli elettroni generati da un cannone elettronico (7) situato esternamente alla cavità, vengono
iniettati nella cavità stessa (1) nel cui interno vengono accelerati una prima volta da un campo
elettrico radiale verso l'interno della cavità. Passano quindi attraverso le aperture situate nel
conduttore centrale (2) e allorché riemergono dall'altra parte trovano il campo elettrico
nuovamente in fase e così subiscono una seconda accelerazione completando una prima volta
l'attraversamento della cavità. Il fascio accelerato viene quindi deflesso passando attraverso un
magnete esterno (5) e rinviato dentro la cavità per un secondo ciclo di accelerazione; i cicli
vengono ripetuti fino a raggiungere l'energia e la potenza richiesta.
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Acceleratori di alta energia-Il Rhodotron
Andamento dei campi elettrico e magnetico nel Rhodotron®
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