Sono numerose le applicazioni dei fasci di ioni nella scienza e nella tecnica, dallo sviluppo delle produzioni industriali alla ricerca scientifica applicata. Per valutare ed ottimizzare una sorgente di ioni nonch´e per far corrispondere le caratteristiche del sistema di trasporto del fascio con i requisiti della specifica applicazione, `e fondamentale fare riferimento ai seguenti parametri di fascio:
Intensit`a del fascio, definita come:
I = numero di particelle
unit`a di tempo (2.3.1)
L’intensit`a del fascio pu`o spaziare da alcune pps2 fino a 10x pps con x ≥ 14. Per particelle cariche, l’intensit`a del fascio `e correlata alla corrente di fascio i secondo la relazione:
Q = i · t = N · ζ · e (2.3.2)
i = N · ζ · e
t (2.3.3)
in cui e = 1.602 · 10−19 C, ζ `e lo stato di carica della particella accelerata e t un tempo definito in relazione al tipo di fascio;
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Profilo del fascio, ovvero la distribuzione dell’intensit`a del fascio lungo una delle coordinate spaziali. Nella fisica degli acceleratori `e comune distinguere tra direzioni longitudinali e direzioni trasversali: le coordinate longitudinali seguono l’asse del fascio e la misura della distribuzione dell’intensit`a lungo la direzione assiale richiede tecniche diverse da quelle lungo le direzioni trasversali;
Posizione del fascio, definita solamente dalle due coordinate trasversali. Tale para-metro pu`o essere ricavato immediatamente dalla misura del profilo del fascio; Energia del fascio, diffusione dell’energia (energy spread) e quantit`a correlate come
momento e diffusione del momento Tipo di carica e numero di massa; Emittanza del fascio;
Cromaticit`a.
In realt`a i parametri che descrivono in modo completo le caratteristiche del fascio sono svariati. La figura2.1raccoglie quelli pi`u significativi e maggiormente utilizzati negli strumenti di diagnostica.
Il tipo di parametri da misurare, il loro numero e la precisione delle rilevazioni dipen-dono dal tipo di applicazione: per un buon allineamento del fascio, ad esempio, tutti i parametri dovrebbero poter essere controllati.
Nel seguito si far`a riferimento solamente ai parametri corrente di fascio e profilo del fascio perch´e sono quelli che vengono rilevati dagli strumenti analizzati nei prossimi para-grafi. Si `e ritenuto comunque opportuno fornire al lettore un quadro quanto pi`u generale sull’argomento per facilitarne la comprensione.
La diagnostica quindi offre un contributo vitale in ogni acceleratore. Dal 3% al 10% del costo dell’intera facility dovrebbe essere dedicato alla strumentazione di diagnostica; tuttavia, nella maggior parte dei casi, a causa dei complessi principi fisici su cui spesso sono basati tali strumenti e per le conseguenti difficolt`a tecniche, la quantit`a di persone impiegate nel progetto, nella realizzazione e negli sviluppi successivi porta a superare il 10% [19].
La maggior parte degli strumenti di diagnostica sono basati su uno dei seguenti feno-meni fisici [19]:
L’influenza elettro-magnetica delle cariche in moto nell’ambiente, come descritto dalle leggi dell’elettrodinamica classica. Queste tecniche sono basate sulla misura di una tensione o di una corrente in una scala di bassa o alta frequenza;
L’emissione di fotoni dalle cariche accelerate. Tale principio `e sfruttato solamente per le particelle relativistiche, come protoni ad altissima energia o elettroni. Questa tecnica `e basata su metodi ottici che estendono la regione del visibile fino ai raggi X; L’interazione coulombiana di particelle cariche che penetrano la materia, descritta dalla fisica dell’atomo o dello stato solido. L’energia rilasciata per effetto del blocco
Fig. 2.1: Parametri di fascio e i pi`u comuni strumenti di diagnostica per la loro misurazione [19]. Si nota che la tipologia di strumento per analizzare una certa caratteristica del fascio differisce talvolta a seconda della natura del fascio (elettronico, protonico, ionico) e del principio di accelerazione dello stesso (lineare o circolare). Si osserva, inoltre, che la stessa propriet`a pu`o essere rilevata con strumenti differenti, il pi`u adatto dei quali dipende dalla specifca applicazione.
degli elettroni fornisce la frazione principale del segnale rilevato. Questa tecnica `e basata sulla misura della corrente o sull’osservazione della luce attraverso metodi ottici;
L’interazione nucleare tra le particelle accelerate e un target fisso oppure tra fasci che collidono. Dalla sezione trasversale nota pu`o essere dedotta la quantit`a del fascio. Questa tecnica `e basata su rilevatori nucleari o di particelle elementari;
L’interazione delle particelle con un fascio fotonico. Questa tecnica `e basata sui laser, sulle ottiche di fascio e i sui rilevatori utilizzati per la fisica dell’alta energia. Normalmente la raccolta delle informazioni dagli strumenti di diagnostica segue tre step successivi, dal sensore di misura fino alla rappresentazione su monitor della quantit`a desiderata, come illustrato nella figura 2.2, che rappresenta i componenti di un sistema per misurare la posizione di un fascio elettromagnetico.
Fig. 2.2: Rappresentazione schematica di una tipica diagnostica di fascio. Il segnale del fascio `e modificato dall’elettronica analogica e digitalizzato in una stanza opportuna. Dalla sala di controllo possono essere modificati i parametri della misurazione come pure quelli del fascio [19]
A seguito dell’interazione tra fascio e rilevatore, il segnale prodotto deve essere am-plificato e sagomato. In particolare `e molto importante elaborare il segnale per ridurne il rumore. Successivamente il segnale amplificato `e trasferito fuori dall’area dell’accelera-tore fino ad un luogo, che pu`o trovarsi anche a centinaia di metri, dove subisce ulteriori elaborazioni mediante elettronica analogica (shaping o combinazioni con altri parametri) prima di essere digitalizzato e immagazzinato. Infine, i dati raccolti sono trasferiti ai pc o alle workstation della sala di controllo. In questo ambiente vengono visualizzate soltanto le informazioni necessarie e possono essere modificati i parametri dell’acceleratore per in-fluenzare le caratteristiche del fascio. Le conseguenze di tali azioni sul fascio sono quindi osservate nel successivo set di misurazioni.
La progettazione di un dispositivo di diagnostica del fascio coinvolge molteplici campi scientifici e tecnologici [20]:
La tecnica del vuoto e dell’alto vuoto;
La ricerca sui materiali, principalmente orientata alla valutazione della loro adegua-tezza per i sistemi in vuoto e delle loro propriet`a termiche;
La progettazione assistita dal calcolatore di dispositivi elettromeccanici;
L’analisi e la previsione dei segnali (inclusa l’elettrodinamica, la dinamica delle particelle, le tecniche analogiche e digitali, ...);
Il controllo di processo e la simulazione al calcolatore dei fenomeni fisici;