Introduzione agli acceleratori e loro applicazioni - Parte II: Componenti

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Introduzione agli acceleratori e loro applicazioni - Parte II:

Componenti

Gabriele Chiodini

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Sezione di Lecce

Lezioni per il Dottorato di Ricerca in Fisica dell’Università del Salento Anno accademico 2014-2015

(20 ore, 4 CFD)

1

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Componenti di un acceleratore

• ^Sorgente

• ^Vuoto

• ^Magneti

• ^RF

• Estrazione (non trattata)

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G. Chiodini - Nov 2014 Corso acceleratori e applicazioni - Parte II: Componenti /43

Sorgenti

3

Elettroni

Emissione termoionica Fotoemissione

Ioni

ECR

Penning (PIG)

Ioni Negativi

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Sorgenti di elettroni

• ^Vuoto

• Un catodo che emette elettroni

• Un anodo (con o senza foro)

• Un potenziale di accelerazione

• Una struttura focalizzante

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Emissione termoionica

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Metalli riscaldati a temperature prossime all’incandescenza

emetto una corrente di elettroni (catodo caldo)

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Fotoemissione

costante di Planck h=6.6E-34 J x s = 4.1E-15eV x s

Gli elettroni dei metalli possono ricevere energia superiore a quella che possiedono nel vuoto assorbendo fotoni (fotocatodo e laser)

Efficienza Quantica Metalli=0.01%

Efficienza Quantica

SemiConduttori~=10-30% La struttura accelerante e’ una cavita’ accelerante a RF Efficienza Quantica=N elettroni / N fotoni

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Sorgente di ioni

• Ingresso gas

• I n g r e s s o p o t e n z a d i ionizzazione

• Regione di produzione del plasma

• Confinamento magnetico

• Estrazione ioni

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Plasma

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Il IV stato della materia:

il plasma

• E’ gas rarefatto ionizzato e l e t t r i c a m e n t e n e u t r o (molecole , ioni+, ioni-, elettroni).

• Scherma elettricamente oggetti carichi posti al suo interno con la formazione di uno strato di carica

• Si ottiene dal gas per

riscaldamento, scariche

elettriche, assorbimento di

micronde e laser intensi.

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Moto particella carica in un plasma

• Moto di girazione lungo B.

Raggio molto piccolo per elettroni (decine di micron) e molto piu’ grande per gli ioni.

• Moto di drift ortogonale a E e B ed uguale per elettroni e ioni.

• Specchio e bottiglia magnetica ( c a m p o B f o r t e m e n t e disomogeneo spinge verso bassi campi).

9

ρ

_girazione

= qB mv

v

_drift

= E

B

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Sorgente di ioni ECR (Electron Cyclotron Resonace)

f_girazione(elettroni) = v

2πρ ⁼ 1 2π

eB m_e

f_girazione(elettroni) = 28B(T) = f_ECR(GHz) condizione di risonananza ECR

• Nel ECR la regione di produzione del plasma (scarica) corrisponde alla zona in cui la frequenza di girazione degli elettroni e’ uguale alla frequenza delle microonde immesse (risonanza).

•

!

Gli elettroni sono intrappolati dallo specchio magnetico e si riscaldano

fino a keV e addirittura MeV di energia.

•

!

Gli ioni fuoriescono dallo specchio magnetico e formano il fascio.

!

• Nessuno filamento usato e quindi e’ una sorgente molto robusta.

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ECR reale

11

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Sorgente di ioni di Penning o Philips Ionization Gauge(PIG)

•

Pressione = 1E-3 Atm

•

^{B=0.1 T}

•

Catodo puo’ essere caldo o freddo

•

Elettroni accelerati tra la scarica ad arco dovuta al elevato potenziale tra anodo e catodo (V=1kV e I=0.1-50A )

•

Elettroni girano attorno al campo magnetico (decine di micron di raggio) ed ionizzano il gas in modo molto efficiente prima di arrivare all’anodo.

•

Gli ioni fuoriescono dal forellino e formano il fascio

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Sorgente PIG reale

13

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Sorgente di ioni negativi

Gli ioni negativi si ottengono da quelli positivi o da atomi neutri per cessione di elettroni da parte di sostanza a bassa affinita’

elettronica come un metallo alcalino (ad esempio cesio).

Affinita’ elettronica= (energia liberata nel acquistare un elettrone).

Due tecniche per produrre ioni negativi:

1.

Trasformazione sulla superfice

2.

Trasformazione sul volume

B

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Produzione e

estrazione ioni negativi

15

ESTRAZIONE IONI NEGATIVI

•

L’estrazione di ioni negativi favorisce anche l’estrazione di elettroni perche’ hanno la stessa carica.

•

Mediante un dipolo si puo’ eliminare la corrente di elettroni dal fascio di ioni negativi

Tecnica 1: catodo rivestito di cesio

Tecnica 2: miscela gas+cesio

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Sistemi del vuoto

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Unita’ di misura della pressione

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Il vuoto e’ forza: Pressione x Superfice

P = nkT

Legge dei gas n[molecole/m3]=densita’ molecolare

costante di Boltzman k=1.38E-23 J/K = 8.6E-5eV/K

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C[litri/s]=Conduttanza

Q=Portata [litri/s x mbar] P1-P2=caduta di pressione[mbar]

Conduttanze in parallelo aumenta

Conduttanze in serie si riduce C(Orifizio di area A )=11.6A[cm²]

C(tubo di diametro D lungo L )=12.1D³/L[cm²]

Meglio condotti corti e larghi

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Velocita’ di pompaggio effettiva

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La velocita’ di pompaggio di una pompa e’ limitata dalla conduttanza dei tubi di raccordo:

Es: pompa turbomolecolare da 8000 euro S=400 l/s Se collego un tubo di d=10 cm e L=2m ho C=60l/s quindi Seff~60l/s. Meglio comperare una pompa t.m.

che costa la meta’ S=60l/s e Seff=30l/s.

La velocita’ di pompaggio di una pompa

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Flusso viscoso e molecolare

λ

_aria

[cm] ~ 6.7 ⋅10

⁻³

P[mbar]

1 < P < 10

³

mbar 6.7 ⋅10

⁻⁶

< λ

_aria

< 6.7 ⋅10

⁻³

cm

10

⁻³

< P < 1 mbar ^{6.7 ⋅10}

⁻³

^< ^λ

aria

< 6.7 cm

P < 10

⁻³

mbar 6.7 cm < λ

_aria

Flusso molecolare: dominato da collisioni con pareti Flusso viscoso: dominato da collisioni tra molecole Libero cammino medio molecolare

•

I due regimi differeriscono completamente per i calcoli e la componentistica del vuoto.

•

Il regime molecolare e’ quello della vera tecnologia del vuoto e la pressione e’ dominata dalla natura della superfice che rilascia molecole in continuazione (Outgassing)

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Classificazione del vuoto

• Medio Vuoto: 10 ^-3 <P<1 mbar  

flusso viscoso

• Alto Vuoto: 10 ^-7 <P<10 ^-3 mbar  

flusso molecolare

• Ultra Alto Vuoto: 10 ^-12 <P<10 ^-7 mbar  

flusso molecolare

21

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Outgassing e cleaning

•

Nei sistemi a vuoto la pressione finale e’ data dal OUTGASSING delle superfici

•

L’outgassing dipende dal natura, trattamento, cleaning, temperatura delle superfici e tempo di pompaggio

•

Metodi di cleaning

•

Chimico per togliere residui

•

Fuoco in vuoto a 950⁰C per estrarre idrogeno dall’acciaio inossidabile

•

Scariche elettriche per togliere gas e metallo atomico

•

Riscaldamento a 150⁰C per togliere molecole d’acqua (bake-out)

P

_finale

= Q

outgas sin g

S

_eff

Usare SOLO metalli e MAI plastica:

Q plastica =5000Q metalli

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Metallo vs Plastica

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P_finale = Qoutgas sin g

S_eff = qoutgas sin gA S_eff

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Misura del vuoto

Gauge di Pirani: 1E-4mbar<P<1 mbar - oltre da letture erronee Misura mediante un ponte resistivo la corrente necessaria a m a n t e n e r e c o s t a n t e l a t e m p e r a t u r a d i u n termoresistore posto in vuoto.

Piu’ il vuoto e’ spinto meno r a f f re dd a m e n t o s u b i s c e i l termistore meno corrente e’

necessaria a mantenerlo caldo.

Gauge di Penning 1E-10mbar<P<1E-5 mbar

Gauge di Bayard-Alpert 1E-12mbar<P<1E-5 mbar

Misura la corrente di ioni generata dagli elettroni emessi in vuoto da un filamento Misura la corrente

di scarica in una cella di Penning che avviene tra catodo e anodo freddo in campo magnetico

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Pompe per creare il vuoto

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Pompa primaria a rotazione (a secco o a olio) usata per pompare da pressione ambiente a 1E-2 mbar. S=m3/h.

Lavora in regime viscoso creando una depressione tra ingresso e uscita.

Spesso prepara il vuoto per la pompa turbomolecolare.

Pompa turbomolecolare usata per pompare da 1E-2 mbar fino a 1E-11mbar e poi puo’ essere tolta. S=10-3000 l/s.

Lavora in regime molecolare a trasferimento d’impulso: quando una molecola tocca le lame rotanti la velocita’ trasferita e’ paragonabile alla velocita’ termica ed e’ rimossa.

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Pompa per mantenere il vuoto

Pompa a sputtering di ioni e’ usata per mantenere il vuoto e puo’ lavorare da 1E-5 mbar fino a 1E-11mbar. S=1-500 l/s.

E’ una cella di Penning dove gli elettroni emessi (6kV) ionizzano le molecole residue e fanno sputtering del Titanio che riveste il catodo. Il Titanio si lega chimicamente con i gas residui o seppellisce quelli con cui non reagisce (gas nobili e idrocarburi) trasportandoli cosi’ sulle pareti metalliche dove viene assorbito.

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Componentistica da vuoto (chiarire meglio)

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Soffietto

Tubo di rame

Flangia,guarnizioni, L Finestra

Va lvo le di setto re

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Magneti

normalconduttivi

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Componenti principali di un magnete

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• Giogo ferro

• ^Poli

• ^Bobine

• Supporti meccanici

• Sensori termici

• Condotti di

raffreddamento

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Magneti

normalconduttivi

•

Vantaggio ferro

•

Riduce Ampere x Nspire

•

Riduce potenza dissipata

•

Guida e modella il campo magnetico

•

Svantaggio ferro

•

satura a circa 2 Tesla (tutti i domini magnetici sono orientati lungo B)

B

_traferro

= µ

₀

^NI

h = B

_NI

(1 + χ

_ferro

⁾

χ ^{~ 10}

³ Correnti microscopiche (orientamento domini magnetici)

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Bobina

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La bobina standard e’ fatta da fili rettangolari di rame o alluminio nel cui interno passa acqua di raffreddamento e isolati tra loro da una copertura di vetro e resina epossidica

2 strati

4 strati

Massimizzare NI (Ampere x giro) Scegliere area conduttore A e N Densita’ di corrente J= NI/A

Tanti N: bassa corrente, terminali piccoli (facile ed economica connessione), piu’ isolamento, piu’

spazio, piu’ costi di assemblaggio, piu’ alta tensione, meno corrente (meno perdite)

!

Bassa J: perdite piu’ basse, meno consumo, meno calore da dissipare Alta j: bobine piu’ piccole, meno costi, magneti piu’ piccoli

(32)

Limite magneti

normalconduttivi

Il ferro satura a T=1.5 -1.8T

ed in regime di rampa come nei sincrotroni  

non puo’ superare un campo magnetico di 1-1.2T.

!

E’ necessario passare ai magneti superconduttori che sono privi

di ferro, solo spire e corrente elevatissima a zero produzione di

calore. Vanno pero’ tenuti a temperature prossime allo zero

assoluto e quindi necessitano di criogenia,

(33)

Sistemi acceleranti a radiofrequenza

33

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Cosa e’ un sistema RF

•

Una particella puo’ essere accelerata solo con campi elettrici paralleli alla direzione del moto

•

Campi elettrici variabili permettono di accumulare energia senza accumelare alta tensione

•

Tubi a Drift di Wideroe possono funzionare solo a bassa frequenza perche’ solo a grandi lunghezze d’onda si puo’ mantenere la equipotenzialita’ dei tubi:

•

basse energie

•

b assi gr adi e n t i e qu i ndi p oca accelerazione per metro.

Necessario passare dai tubi a

drift a campi uniformi a

strutture acceleranti a campi

distribuiti

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Spettro

elettromagnetico

35

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Componenti principali del sistema RF

• Oscillatore RF

• Amplificatore RF di potenza

• A c c o p p i a m e n t o Amplificatore-Cavita’

• Cavita’ accelerante

• Ingresso e uscita fascio

• Ingresso (e uscita) RF

• Misuratori di potenza

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Risonatore RF a onda stazionaria (SW)

37

Rientrante Nose-cone Disk-loaded Coassiali

Le cavita’ risonanti sono caratterizzate da modi risonanti stazionari che oscillano nel tempo con frequenza f e nello spazio con lunghezza d’onda λ senza propagare (Onda Stazionaria).

L’onda stazionaria puo’ essere scomposta in due onde viaggianti in direzione opposta e completamente interferenti ai bordi.

V^viaggiante(x, t) = V₀ sin(2πft − 2π λ x) Vstazionaria

(x, t) = V₀ sin(2πft)sin(2π λ x)

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Guide d’onda disk-loaded a onde viaggianti (TW)

Guida d’onda IRIS-loaded:

•

f=2.856 GHz (banda S)

•

86 celle di accelerazione

•

Accoppiamenti input/output

•

Campi acceleranti di 30 MV/m

Guida d’onda permette di creare una componente l o n g i t u d i n a l e a l c a m p o elettromagnetico ed i dischi di ridurre la velocita’ di fase dell’onda meno della velocita’

della luce in vuoto e poter accelerare particelle

Sono le condizioni al contorno che

determinano se un onda e’ TW o SW

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Oscillatore RF

• U n t r a n s i s t o r e ’ u n amplificatore in corrente

• Il segnale di uscita e’ in opposizione di fase con l’ingresso (inveretente)

• Due stadi invertenti non invertono

• Mandando in ingresso una parte del segnale di uscita si i n n e s c a u n a re t ro a z i o n e positiva a frequenza f

_RF

=1/(RC).

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R C

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Amplificatori RF di potenza a stato solido

Moltissimi amplificatori in parallelo:

• f=325 MHz

• ^{P=190 kW}

• 4.7x4.7x2.3m3

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Tetrodo come

amplificatore RF di potenza _•

Nelle valvole termoioniche la conduzione di corrente puo’ avvenire solo dal moto degli elettroni emessi dal catodo caldo all’anodo (diodo).

•

Nel triodo la griglia modula il passaggio degli elettroni tra catodo ed anodo amplificando il segnale della griglia sulla placca.

•

Nel tetrodo viene aggiunta una griglia schermo a potenziale costante che scherma la griglia di controllo dal anode riducendo la capacita’ elettrica tra griglia e anodo permettendo lavorare ad alte frequenza

•

Il limite e’ il tempo di transito degli elettroni legato alla loro velocita’ finita ed alla distanza tra catodo e anodo che non puo’

essere troppi piccola altrimenti aumenta la capacita’ e si riduce la freuqenza di lavoro

41

Tetrodo

50<f<1000MHz, 200kW/tube

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Klystron

•

Il klystron lavora sul principio della modulazione di velocita’.

•

Un cannone elettronico genera un fascio di elettroni.

•

Nella Gap1 (Buncher) viene immessa una onda RF ad altissima frequenza

•

Gli elettroni in arrivo nella Gap 1 vengono accelerati diversamente a seconda della posizione (modulazione in velocita’) e proseguono verso la Gap 2 (Catcher)

•

Nel moto per attraversare il tubo gli elettroni piu’

arrivano nella Gap2 in anticipo e quelli piu’ lenti in ritardo (modulazione in posizione)

•

Nella Gap2 gli elettroni viaggiano a pacchetti ed emettono un onda elettromagnetica intensa in uscita

Modulazione in velocita’ Modulazione in posizione (bunches)

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Klystrons reale

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