Luca Barion. Metodologie ottiche per la diagnostica di fasci atomici polarizzati intensi di idrogeno e deuterio

Metodologie ottiche per la diagnostica di fasci Metodologie ottiche per la diagnostica di fasci atomici polarizzati intensi di idrogeno e deuterio atomici polarizzati intensi di idrogeno e deuterio

Luca Barion Luca Barion

15/07/2005

Università degli studi di Ferrara Università degli studi di Ferrara

Dipartimento di Fisica Dipartimento di Fisica

Proprietà del protone Proprietà del protone

(attualmente conosciute) (attualmente conosciute) Caratteristiche:

Caratteristiche:

● Massa 1.67262158 × 10^-27 kg (938 MeV/c²)

● Carica elettrica +e (1.602 × 10⁻¹⁹ C)

● Spin ½

● Eccezionalmente stabile ( τ > 10³² anni)

● Non è puntiforme

Struttura interna:

Struttura interna:

● Composto da 3 quark di valenza

● Quarks/anti-quarks del mare

● Forze di colore (gluoni)

Gli  esperimenti  di  scattering  profondamente  Gli  esperimenti  di  scattering  profondamente 

inelastico  (DIS)  rivestono  grande  importanza  inelastico  (DIS)  rivestono  grande  importanza 

nello studio della struttura interna del protone nello studio della struttura interna del protone

Per lo studio delle funzioni di struttura sono Per lo studio delle funzioni di struttura sono

necessari bersagli e fasci polarizzati necessari bersagli e fasci polarizzati

Solidi (alta densità,ma diluiti) Solidi (alta densità,ma diluiti) Gassosi (bassa densità,ma puri) Gassosi (bassa densità,ma puri)

Idrogeno atomico polarizzato (nucleare) Idrogeno atomico polarizzato (nucleare)

Limite è la densità Limite è la densità

(problema della ricombinazione) (problema della ricombinazione)

Due strade per migliorare:

Due strade per migliorare:

a)Bersagli molecolari polarizzatiBersagli molecolari polarizzati

b)Incrementare la densità,Incrementare la densità, mantenendomantenendo contenuta la ricombinazione

contenuta la ricombinazione

● Light Induced Drift (LID)Light Induced Drift (LID)

● Laser a COLaser a CO₂₂

● Sistema di diagnostica ottica (OptMon)Sistema di diagnostica ottica (OptMon)

Light Induced Drift (LID)

Light Induced Drift (LID)

Distribuzione in Distribuzione in velocità di particelle velocità di particelle

all'interno di una all'interno di una

“sottile” cella

“sottile” cella tubolare

tubolare

ωω_LL Frequenza dei fotoni Frequenza dei fotoni

ωω_GG Freq. di assorbimento gas Freq. di assorbimento gas

ωω_{L L} = = ωω_GG

Attrito con gas Attrito con gas

di buffer di buffer

ωω_{L L} = = ωω_GG

Schema setup sperimentale Schema setup sperimentale

S1 Specchio sferico ( 10 m CC)

S2 Specchio piano parzialmente trasparente S3, S4 Specchi piani

D1, D2 Detectors

0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15 20 25

Densità di molecole

NA NB

z

[un.arb.] N_A=N₀ e

v D z

N_B=N₀ e⁻

v D z

Distribuzione della densità delle molecole attive Distribuzione della densità delle molecole attive

N_A, N_B densità molecole attive D coefficiente di diffusione

v = |u| (modulo della velocità di deriva)

Fonte http://www.iae.nsk.su/~lab12/lid/lid_exp.htm

Velocità di deriva in funzione del detuning Velocità di deriva in funzione del detuning

Ipotesi di setup per ottenere un getto molecolare Ipotesi di setup per ottenere un getto molecolare

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Laser a CO Laser a CO

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Schema Laser a CO

Schema Laser a CO

Livelli energetici Azoto ed Anidride carbonica Livelli energetici Azoto ed Anidride carbonica

(principio di eccitazione) (principio di eccitazione)

Spettro del laser a CO Spettro del laser a CO₂₂

Fonte: http://www.iqe.ethz.ch/irp/Homepage/Gallery/mobilesystem/co2%20measurement.jpg

Detector piezoelettrico Detector piezoelettrico

Tempo di risposta del detector piezoelettrico Tempo di risposta del detector piezoelettrico

Consumi

● Elettrico

● Gas:

• Anidride carbonica

• Azoto

• Elio

● Acqua

● Vuoto

Caratteristiche ottiche

● Potenza luminosa

● Diametro fascio

● Lunghezza d'onda

1 KW sccm sccm sccm 50 l/ora pompa prevuoto

7 W 9.6 – 10.6 µ3 mmm

Caratteristiche Laser CO Caratteristiche Laser CO₂₂

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Sistema di diagnostica ottica Sistema di diagnostica ottica

(OptMon)

(OptMon)

Schema Atomic Beam Source Schema Atomic Beam Source

MW: dissociatore a microonde

1: primo stadio di raffreddamento ad acqua (13 °C) 2: secondo stadio di raffreddamento – collar (-200 °C) 3: terzo stadio di raffreddamento – nozzle (75 K)

Schema di estrazione della luce dall'ABS Schema di estrazione della luce dall'ABS

D Detector

F1, F2 Fenditure

L1, L2 Lenti convergenti

R Reticolo di diffrazione S1, S3, S4 Specchi piani

S2 Specchio sferico concavo

Schema del sistema di diagnostica ottica Schema del sistema di diagnostica ottica

(OptMon) (OptMon)

Sistema di diagnostica ottica Sistema di diagnostica ottica

Esempio di spettro acquisito dall'OptMon Esempio di spettro acquisito dall'OptMon

1 α dall'OptMon(viola) e dal QMA(rosso) 2 Temp. O-ring [°C] 3 Temp. collar [°C]

4 Segnale molec. QMA5 Segnale atom. QMA 6 Frequenza del chopper in camera 3 [Hz]

7 Ultimo spettro acquisito 8 Grafico di α 9 Picco dell'acqua [un. arb.]

10 Livello base [mV]

11 Segnale atom. [un. arb.] 12 molecolare [mV]

OptMon:

Flusso H₂: 75 sccm Flusso O₂: 2 sccm Flusso He: 100 sccm

Potenza microonde: 800W

Rilevazione di gas estranei (He) Rilevazione di gas estranei (He)

Rilevazione di gas estranei (N Rilevazione di gas estranei (N₂₂))

Flusso H₂: 75 sccm Flusso O₂: 2 sccm Flusso N₂: 12.5 sccm

Potenza microonde: 800W

0 1 2 3 4 5 6 0

2 4 6 8 10 12 14 16

Acqua OptMon vs O2

Flusso O2 [sccm]

Picco acqua

Scansione con ossigeno Scansione con ossigeno

Flusso H₂: 75 sccm Potenza microonde: 800W

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Alpha QMA vs O2

Flusso O2 [sccm]



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0.00

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Alpha OptMon vs O2

Flusso O2 [sccm]

α

Confronto tra QMA ed OptMon Confronto tra QMA ed OptMon

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Fine Fine