Acceleratori circolari

Il moto di una particella di massa m e carica elettrica q in un campo di induzione magnetica ~B `e descritto dalla legge

d~p dt =

d

dt mγ~v = q ~v ∧ ~B

Poich´e la forza di Lorentz non compie lavoro, si ha γ = costante, |~p| = costante. La componente della quantit`a di moto parallela alla direzione di ~B `e invariata e la

variazione della componente normale si esprime in funzione della velocit`a angolare

d~p

dt = ~p ∧ ~ω = mγ~v ∧ ~ω ~ω = q ~B mγ

La particella descrive un’elica. Nel piano normale a ~B descrive una traiettoria

circolare con raggio di curvatura R con frequenza di rivoluzione ω

~p = mγ ~R ∧ ~ω = q ~R ∧ ~B R = p qB

Per una carica unitaria, q = e, la relazione tra quantit`a di moto, raggio di curvatura e campo magnetico `e

p c [Joule] = e c B R = 1.6 10−19 _{[Coulomb] 3 10}8 _[ms−1_{] B [T esla] R [metro]}

ovvero, in unit`a pi`u pratiche

pc [GeV ] = 0.3 B [T esla] R [metro]

Il fatto che una particella carica in un campo magnetico uniforme percorre una circonferenza viene sfruttato negli acceleratori circolari per far passare ripetutamente la particella in una zona in cui `e presente un campo elettrico accelerante. In questo modo la particella guadagna progressivamente energia con accelerazioni multiple con frequenza legata alla frequenza di rivoluzione.

Il ciclotrone

Il primo acceleratore circolare, il ciclotrone, `e stato realizzato da Lawrence nel 1930. Lo schema di funzionamento `e illustrato nella Fig.1.13. Un dipolo produce un campo magnetico uniforme e costante in un cerchio di raggio R. All’interno del dipolo la camera a vuoto `e compresa tra due elettrodi cavi a forma di 00_D00 _{e agli elettrodi}

`e applicata una differenza di potenziale alternata ∆V (t) = Vocos ωRFt a frequenza

costante. La distanza tra gli elettrodi `e molto minore del raggio R del magnete. Il campo elettrico `e nel piano normale al campo magnetico. La sorgente di ioni `e posta al centro della camera a vuoto.

Gli ioni emessi dalla sorgente vengono accelerati dal campo elettrico ed entrano nel cavo di uno degli elettrodi dove il campo elettrico `e nullo. Per effetto del campo

ciclotrone betatrone

Figure 1.13: Schema del ciclotrone e del betatrone

magnetico, gli ioni percorrono una semicirconferenza di raggio ρ = p/qB e frequenza di rivoluzione ω = qB/mγ. Se `e soddisfatta la condizione di risonanza, ωRF = ω,

gli ioni attraversano di nuovo la zona tra i due elettrodi in fase con la differenza di potenziale e vengono di nuovo accelerati. Quindi gli ioni percorrono una traiettoria a spirale con raggio via via crescente e l’aumento di energia per giro `e ∆E = 2q∆V . Quando il raggio di curvatura `e ≈ R gli ioni non sono pi`u soggetti all’azione del campo magnetico ed escono tangenti alla traiettoria.

La massima energia raggiungibile `e limitata dal valore del campo, B, e dal rag- gio del magnete, R: pmax = 0.3BR. Per B = 1 T , R = 1 m, q = e, si ha

pmax = 300 MeV che corrisponde per un protone ad una velocit`a β = 0.3 per cui

l’approssimazione non relativistica `e sufficientemente accurata.

Per velocit`a v ¿ c, la frequenza di ciclotrone `e costante e la condizione di riso- nanza `e rispettata se ωRF = costante. Per raggiungere energie pi`u elevate occorre

variare (diminuire) la frequenza ωRF durante il ciclo di accelerazione. Questo `e

quello che avviene nel sincro-ciclotrone.

Ciclotroni e sincrociclotroni accelerano protoni e ioni fino ad energie di circa 500 MeV e vengono usati per studiare reazioni nucleari nella regione delle energie intermedie.

Il betatrone

Il betatrone `e stato realizzato da Kerr nel 1940 per accelerare elettroni ad energie, a quei tempi, elevate. Il nome betatrone ha origine dai raggi beta che sono elettroni emessi nei decadimenti dei nuclei. Nel betatrone gli elettroni percorrono una trai- ettoria circolare di raggio R e la camera a vuoto `e a forma di ciambella racchiusa tra i poli di un magnete (Fig.1.13). Il campo magnetico `e normale al piano della traiettoria.

Il betatrone funzione per induzione elettromagnetica. Non intervengono campi elettrici: si fa variare il campo magnetico e la forza elettromotrice `e fornita dalla variazione del flusso del campo magnetico concatenato con la ciambella. Con riferi- mento alla Fig.1.14, chiamiamo hBi il valore del campo magnetico mediato su tutta la superficie delimitata dalla ciambella e Bo il valore del campo magnetico lungo

d<B> dt <B> E r dp dt Bo

Figure 1.14: Principio di funzionamento del betatrone

l’orbita. Se si fa variare il campo magnetico, il campo elettrico generato lungo la circonferenza di raggio R `e I ~ E · d~` = 2πRE = −dΦhBi dt = −πR 2 dhBi dt

Una particella di carica q `e soggetta alla forza tangenziale

d~p dt = q ~E = q 2R ∧~ dh ~Bi dt

Perch´e la particella percorra la circonferenza di raggio R costante, deve risultare

d~p

dt = q ~R ∧ d ~Bo

dt

Quindi `e possibile accelerare un elettrone lungo una traiettoria di raggio costante se `e soddisfatta la

condizione di betatrone dh ~Bi dt = 2

d ~Bo

dt h ~Bi = 2 ~Bo+ costante

che si pu`o ottenere sagomando opportunamente i poli del magnete. Il sincrotrone

In acceleratori circolari costruiti con un magnete singolo la massima energia raggiun- gibile `e limitata dal campo magnetico e dal raggio del magnete. Poich´e il valore di

B che si pu`o raggiungere, anche utilizzando bobine superconduttrici, `e limitato ad

alcuni T elsa, per aumentare l’energia occorre aumentare il raggio dell’acceleratore. Questo non si pu`o fare con un singolo dipolo, che sarebbe enorme, ma si costruiscono acceleratori con pi`u magneti curvanti distribuiti lungo la traiettoria delle particelle. Quindi il raggio di curvatura della traiettoria `e fissato, R = costante, e la camera a vuoto `e una ciambella contenuta tra i poli dei magneti curvanti. Lungo la traiettoria circolare, in uno o pi`u punti, vi sono cavit`a RF dove un campo elettrico alternato a frequenza ωRF cede energia alle particelle. La frequenza ωRF deve essere uguale

alla frequenza di ciclotrone o pari a un multiplo intero h (numero di armonica) e le particelle devono attraversare la cavit`a in fase con ωRF.

Il sincrotrone `e un acceleratore che opera in cicli: iniezione, accelerazione, es- trazione del fascio e ritorno alla fase iniziale e utilizza un primo stadio di acceler- azione, usualmente un acceleratore lineare, che inietta le particelle con impulso pi

(Fig.1.15). Nella fase di iniezione si ha

t B(t)

t

ω(t)

iniez. accel. estraz. iniez.

estraz.

Figure 1.15: Schema del sincrotrone

Bi = pi/qR ωi = qBi/mγi = βic/R

Nella fase di accelerazione si aumenta gradualmente il campo magnetico e si varia di conseguenza la frequenza ωRF = h qB/mγ. Quando `e raggiunto il valore massimo del

campo magnetico, il fascio viene estratto impulsando dei magneti e dopo l’estrazione il valore del campo magnetico e della frequenza vengono riportati ai valori iniziali.

In un proto-sincrotrone occorre variare la frequenza ωRF durante la fase di ac-

celerazione

ωRF = h ω = h βc/R

Se l’iniezione dei protoni avviene con quantit`a di moto pi non piccola rispetto a mc,

la banda di frequenza in cui operano le cavit`a `e limitata e questo comporta notevoli vantaggi. In un elettro-sincrotrone invece `e sufficiente iniettare elettroni con energia di pochi MeV , β ≈ 1, per operare le cavit`a a ωRF ≈ c/R = costante.