ACCELERATORI DI PARTICELLE ACCELERATORI DI PARTICELLE Dr. Adolfo Esposito Dr. Adolfo Esposito

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ACCELERATORI DI PARTICELLE ACCELERATORI DI PARTICELLE

Dr. Adolfo Esposito Dr. Adolfo Esposito

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FERDOS Dr. Adolfo Esposito

GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE

Gli acceleratori di particelle possono accelerare soltanto particelle cariche.

La prima categoria di tali particelle sono le cosiddette particelle elementari, elettroni e protoni (in realtà questi ultimi non elementari), a causa sia della loro relativa facilità di produzione, che della interpretazione dei risultati.

Sono altresì accelerabili gli ioni di molti elementi (deuteroni  uranio) e particelle .

Questi ioni possono avere carica elementare o essere multicarica.

Per carica elementare si intende la carica dell'elettrone.

In completo accordo con la relazione E=mc

²

la massa è una forma di energia.

Viene pertanto utilizzata la stessa unità sia per esprimere l'energia di una particella che per esprimere la sua massa viene usato l'eV.

L'eV è molto piccolo e pertanto vengono utilizzate le unità derivate dal SI

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In tabella è possibile vedere le principali caratteristiche di alcune particelle accelerate

PARTICELLA MESSA A RIPOSO CARICA

kg MeV 10^-19 C

Elettrone 9.109 x 10^-31 0.511 -1.602

Protone 1.672 x 10^-27 938 +1.602

Deuterone 3.342 x 10^-27 1877 +1.602

 6.644 x 10^-27 3733 +3.204

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FERDOS Dr. Adolfo Esposito Movimento di una particella carica in un campo elettrico uniforme Movimento di una particella carica in un campo elettrico uniforme

Le particelle cariche ferme o in movimento all’interno di un campo elettrico uniforme sono soggette alle Le particelle cariche ferme o in movimento all’interno di un campo elettrico uniforme sono soggette alle stesse leggi cui obbediscono i corpi liberi in un campo gravitazionale.

stesse leggi cui obbediscono i corpi liberi in un campo gravitazionale.

Se noi ipotizziamo di mettere un elettrone e in un campo elettrico

Se noi ipotizziamo di mettere un elettrone e in un campo elettrico EE la forza che agisce sull’elettrone sarà la forza che agisce sull’elettrone sarà

F= e F= e EE F= mF= m_e_e a a

dove a è l’accelerazione ed m

dove a è l’accelerazione ed m_ee la massa dell’elettrone da cui si può ricavare che il movimento di un elettrone la massa dell’elettrone da cui si può ricavare che il movimento di un elettrone in un campo elettrico uniforme descritto da

in un campo elettrico uniforme descritto da Accelerazione

Accelerazione

Velocità Velocità

Velocità finale dopo l’attraversamento di un segmento con differenza di potenziale V Velocità finale dopo l’attraversamento di un segmento con differenza di potenziale V

a  eE m_e

v a  t  eEt m_e

m eV

k

v  2

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Spazio percorso Spazio percorso

Le unità di misura utilizzate sono Le unità di misura utilizzate sono

a a in in cm/scm/s²² vv in in cm/s cm/s EE in in V/cmV/cm (campo elettrico) (campo elettrico)

V V in in VV m m in in gg s s in in cmcm t t in in ss

s  eEt² 2m_e

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Se invece di un elettrone si accelera uno ione la velocità di cui abbiamo parlato diventa Se invece di un elettrone si accelera uno ione la velocità di cui abbiamo parlato diventa

Dove n è il numero di cariche elettriche elementari ed m

Dove n è il numero di cariche elettriche elementari ed mi i è la massa dello ione accelerato.è la massa dello ione accelerato.

Le considerazioni finora svolte sono relative al movimento di particelle che si muovono a Le considerazioni finora svolte sono relative al movimento di particelle che si muovono a velocità piccole cioè a particelle non relativistiche.

velocità piccole cioè a particelle non relativistiche.

Introduciamo dapprima un coefficiente Introduciamo dapprima un coefficiente

E trattiamo l’elettrone come se fosse un punto materiale.

i e

m V e nm v  2

  v c

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Si possono distinguere due casi Si possono distinguere due casi

<<1<<1

Se Se  è molto minore di 1 la particella si muove a una velocità bassa e allora la meccanica è molto minore di 1 la particella si muove a una velocità bassa e allora la meccanica newtoniana è valida e la massa delle particelle m corrisponde con la sua massa a riposo.

newtoniana è valida e la massa delle particelle m corrisponde con la sua massa a riposo.

Nel caso non possa trascurarsi il valore di

Nel caso non possa trascurarsi il valore di ²² allora allora m lim

o

m_o 1²

m m₀ 1²

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Se la velocità della particella è espressa in termini della tensione di accelerazione la massa Se la velocità della particella è espressa in termini della tensione di accelerazione la massa relativistica diventa

relativistica diventa

e per ioni di massa A e carica n e e per ioni di massa A e carica n e

Quando si tiene conto dell’aumento della massa dell’elettrone allora la velocità che Quando si tiene conto dell’aumento della massa dell’elettrone allora la velocità che raggiunge in un dato campo elettrico è

raggiunge in un dato campo elettrico è m m₀



1 1.94  10^6V



 

 



 



₀

1 ( / ) * 1836 * 511000 n

A m V

m

c V

v

₆

10 94 . 1 1

1 1

_



 



 

 



 



₀

1 ( / ) * 1836 * 511000 n

A m V

m

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La dipendenza di tale velocità dal tipo di particelle è riportata in figura La dipendenza di tale velocità dal tipo di particelle è riportata in figura

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Mentre gli elettroni raggiungono la velocità della luce già a qualche decina di MeV, la Mentre gli elettroni raggiungono la velocità della luce già a qualche decina di MeV, la velocità delle altre particelle si avvicina alla velocità della luce ad energie superiori al GeV.

velocità delle altre particelle si avvicina alla velocità della luce ad energie superiori al GeV.

Ciò è ovviamente dovuto alla differenza fra le masse delle particelle.

Gli elettroni sono classificati come particelle leggere mentre i protoni, e deuteroni e le Gli elettroni sono classificati come particelle leggere mentre i protoni, e deuteroni e le  sono classificate come particelle pesanti.

sono classificate come particelle pesanti.

Di conseguenza gli acceleratori vengono divisi Di conseguenza gli acceleratori vengono divisi in due grosse famigliein due grosse famiglie

ACCELERATORI PER PARTICELLE LEGGERE ACCELERATORI PER PARTICELLE LEGGERE ACCELERATORI PER PARTICELLE PESANTI ACCELERATORI PER PARTICELLE PESANTI

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Se la velocità della particella è veramente piccola allora la massa della particella Se la velocità della particella è veramente piccola allora la massa della particella è veramente vicina alla massa a riposo.

è veramente vicina alla massa a riposo.

Tutto ciò non sempre è vero nell’accelerazione delle particelle.

La massa delle particelle, specialmente nel caso degli elettroni è molto più La massa delle particelle, specialmente nel caso degli elettroni è molto più grande della massa a riposo. È pertanto necessario tenere conto dell’aumento di grande della massa a riposo. È pertanto necessario tenere conto dell’aumento di massa.

massa.

Un elettrone di energia 100 keV ha una massa relativistica 20% in più della sua Un elettrone di energia 100 keV ha una massa relativistica 20% in più della sua massa a riposo. A 1 MeV, siamo al 320% in più ; a questa energia l’elettrone è al massa a riposo. A 1 MeV, siamo al 320% in più ; a questa energia l’elettrone è al 90% della velocità della luce. Aumentando ulteriormente l’energia a 10 MeV si è 90% della velocità della luce. Aumentando ulteriormente l’energia a 10 MeV si è praticamente raggiunta la velocità della luce. Nella fase di accelerazione ad alta praticamente raggiunta la velocità della luce. Nella fase di accelerazione ad alta energia la velocità dell’elettrone cresce poco ma la sua massa relativistica cresce energia la velocità dell’elettrone cresce poco ma la sua massa relativistica cresce molto rapidamente. Un elettrone da 20 GeV è praticamente alla velocità della molto rapidamente. Un elettrone da 20 GeV è praticamente alla velocità della luce e la sua massa è 40000 volte maggiore di quella a riposo.

luce e la sua massa è 40000 volte maggiore di quella a riposo.

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Le particelle pesanti si comportano in maniera differente: la velocità relativa di un protone Le particelle pesanti si comportano in maniera differente: la velocità relativa di un protone da 1 MeV è solo il 4.6% della velocità della luce, la velocità relativa di un deuterone è 3.2%

da 1 MeV è solo il 4.6% della velocità della luce, la velocità relativa di un deuterone è 3.2%

di quella della luce. L’incremento relativistico della massa a queste energie è dell’ordine di quella della luce. L’incremento relativistico della massa a queste energie è dell’ordine dello 0.2%.

dello 0.2%.

Solo ad energie dell’ordine di 20 MeV la massa relativistica del protone cresce di circa 2%

mentre quella del deuterone rimane all’1%.

Da ciò segue che nel range delle velocità relativistiche, che praticamene incontriamo molto Da ciò segue che nel range delle velocità relativistiche, che praticamene incontriamo molto frequentemente, nel campo delle accelerazioni di particelle, gli elettroni, che hanno una frequentemente, nel campo delle accelerazioni di particelle, gli elettroni, che hanno una massa a riposo piccola, diventano uguali in massa e quantità di moto (momento) delle massa a riposo piccola, diventano uguali in massa e quantità di moto (momento) delle particelle più pesanti.

particelle più pesanti.

Nella figura è possibile vedere graficamente quanto detto.

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La quantità di moto o momento di una particella è il prodotto della massa per la sua velocità La quantità di moto o momento di una particella è il prodotto della massa per la sua velocità P=mvP=mv

Ed è in genere espressa in GeV/c Ed è in genere espressa in GeV/c

Nel range delle alte velocità la massa m dovrebbe essere sostituita dalla sua massa Nel range delle alte velocità la massa m dovrebbe essere sostituita dalla sua massa relativistica.

relativistica.

In regime relativistico P

In regime relativistico P mc e differisce dall’energia E=mc mc e differisce dall’energia E=mc²² per un fattore c: per un fattore c:

In altre parole, per una particella relativistica la quantità di moto altri non è che il rapporto In altre parole, per una particella relativistica la quantità di moto altri non è che il rapporto fra l’energia e la velocità della luce ed ecco spiegata l’unità di misura GeV/c.

fra l’energia e la velocità della luce ed ecco spiegata l’unità di misura GeV/c.

La medesima unità si può utilizzare a velocità più bassa ma la relazione fra la quantità di La medesima unità si può utilizzare a velocità più bassa ma la relazione fra la quantità di moto e l’energia non è cosi’ semplice.

moto e l’energia non è cosi’ semplice.

P  E c

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Negli acceleratori di particelle è spesso usato il rapporto fra l’energia cinetica E

Negli acceleratori di particelle è spesso usato il rapporto fra l’energia cinetica Ekk e l’energia a riposo E e l’energia a riposo Eoo

= E= Ekk / E / Eoo

Questo rapporto può essere usato per determinare le proprietà fondamentali della particella in Questo rapporto può essere usato per determinare le proprietà fondamentali della particella in movimento.

movimento.

L’energia totale

E E

tt

=mc =mc

²²

=m =m

00

c c

²²

+E +E

kk

=E =E

00

+E +E

kk

Da cui dividendo pe

Da cui dividendo per r

m m

00

c c

²² si avra’ si avra’

m=m m=m

00

(1+ (1+  ) )

ma ma

Da cui Da cui

Da cui la quantità di moto Da cui la quantità di moto

v  c  1   

²

 1 1  

P  mv  m

₀

c 1    

²

 1  m

₀

c 

²

 2 

m m₀ 1²

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Nell’intervallo delle basse energie la velocità cresce molto più rapidamente della massa. Per Nell’intervallo delle basse energie la velocità cresce molto più rapidamente della massa. Per energie veramente alte allora la velocità non cambia ma è la massa che cresce.

energie veramente alte allora la velocità non cambia ma è la massa che cresce.

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Un altro modo di rappresentare il movimento delle particelle accelerate è quello di usare il rapporto Un altro modo di rappresentare il movimento delle particelle accelerate è quello di usare il rapporto dell’energia totale sull’energia della massa a riposo.

dell’energia totale sull’energia della massa a riposo.

Per E

Per E_kk>>E>>E₀0 allora allora 

Se una particella si muove in un campo magnetico possiamo scrivere la seguente relazione Se una particella si muove in un campo magnetico possiamo scrivere la seguente relazione

Dove r è il raggio dell’orbita delle particelle stabili e B è l’induzione del campo magnetico.

Il prodotto rB è detto rigidità magnetica della particella.

Per E

Per Ekk>>E>>E0 0 l’equazione precedente la possiamo scrivere.l’equazione precedente la possiamo scrivere.

Le equazioni cosi’ scritte sono valide per tutte le particelle se si tiene ovviamente conto della massa e Le equazioni cosi’ scritte sono valide per tutte le particelle se si tiene ovviamente conto della massa e della carica della particella.

della carica della particella.

E

0

E

_t

 

rB  mV e  P

e  m₀C

e ²  2  M c e

E_k E₀





 





2

 2 E_k E₀

rB  E₀ ec

E_k E₀





 





2

 2E_k E₀  1

ec E_k²  2E_kE₀

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Nel range delle particelle

Nel range delle particelle non relativistiche cioe’ Enon relativistiche cioe’ Ekk non molto piu’ grande di E non molto piu’ grande di E00

Il fattore di proporzionalità ha lo stesso valore per i protoni e per le

Il fattore di proporzionalità ha lo stesso valore per i protoni e per le  , è più piccolo per , è più piccolo per l’elettrone ed

l’elettrone ed e’ volte piu’ grande per i deuteroni . e’ volte piu’ grande per i deuteroni .

Nel range delle particelle relativistiche il prodotto rB è proporzionale a E

Nel range delle particelle relativistiche il prodotto rB è proporzionale a Ekk. Il fattore di . Il fattore di proporzionalità è lo stesso per particelle aventi la stessa carica ma è la meta’ per le particelle

proporzionalità è lo stesso per particelle aventi la stessa carica ma è la meta’ per le particelle 

Nella figura è possibil

Nella figura è possibile e vedere l’andamento di vedere l’andamento di rB in funzione dell’energia per varie particelle. rB in funzione dell’energia per varie particelle.

Una proporzionalita’ a e’ evidente nel Una proporzionalita’ a e’ evidente nel range

range non relativistico. Le curve per protoni ed non relativistico. Le curve per protoni ed alfa coincidono e quella relativa ai deuteroni e’

alfa coincidono e quella relativa ai deuteroni e’

spostata verso l’alto di e quella per elettroni spostata verso l’alto di e quella per elettroni e’ spostata verso il basso di . La e’ spostata verso il basso di . La regione di transizione e’ in corrispondenza della regione di transizione e’ in corrispondenza della massa a riposo.

massa a riposo. Dalla medesima figura è Dalla medesima figura è possibile estrapolare che p

possibile estrapolare che poiche’ il massimo oiche’ il massimo valore ottenibile di B è pari a 2 Tesla

valore ottenibile di B è pari a 2 Tesla il raggio il raggio di acceleratori circolari dell’ordine delle

di acceleratori circolari dell’ordine delle

centinaia di GeV deve essere centinaia di metri.

rB  E_k

Ek

2

2 1836 / 1

1836 / 1

m

_p

=1836 m

_e

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Se infatti l’induzione magnetica e’ espressa in Tesla

1 Tesla = 1Wb/m

²

1Wb= 1 V*s il prodotto rB per particelle

all’energia di 100 GeV e’ circa 500 e tenuto conto dell’induzione

di 2 Tesla si ricava un raggio di 250 m

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UN PO' DI STORIA

A partire dalla scoperta della radioattività la fisica nucleare ebbe a sua disposizione soltanto sorgenti naturali di particelle di alta energia.

Tali sorgenti altro non erano che isotopi naturali  emettitori quali gli isotopi del Polonio o del Radio.

Le particelle  in parola avevano energie nell'intervallo 5.30  7.68 MeV.

Pertanto la fisica nucleare si doveva limitare a questo solo tipo di particelle peraltro non di elevata energia.

L’altro ostacolo per un proficuo lavoro di ricerca era dato dall’esiguo numero

di reazioni prodotte da particelle da sorgenti naturali (piccolo numero di 

ma più piccolo numero di reazioni).

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Allo scopo di studiare meglio i fenomeni fisici era necessario avere a disposizione delle sorgenti di particelle che fossero sufficientemente numerose tali da poter evidenziare anche fenomeni rari.

Nell’ipotesi che trasformazioni nucleari potessero avvenire anche con l’uso di altre particelle oltre le , Rutherford nel 1927 propose la costruzione di un generatore da 1 MeV.

Detto generatore doveva essere usato per accelerare protoni da usare su varie targhette.

Nel frattempo lo stesso Rutherford suggerì a Cockcroft e Walton di investigare se per caso tali trasformazioni potessero avvenire anche utilizzando tensioni più basse.

Nel 1932 i due autori annunciarono di aver ottenuto la scissione di atomi di litio a mezzo di protoni accelerati a potenziali relativamente bassi.

Essi avevano costruito ed usato il primo acceleratore al mondo.

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Questo acceleratore, chiamato cannone a protoni, consisteva in una camera di accelerazione contenente una sorgente di elettroni con catodo riscaldato e una coppia di elettrodi accelerati.

Gli elettroni emessi dal catodo erano accelerati dalla tensione esistente dal catodo e anodo.

Passando attraverso la camera gli elettroni ionizzano un elevato numero di atomi di idrogeno nelle vicinanze dell’anodo.

Gli atomi di idrogeno ionizzati altro non sono che protoni.

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Se applichiamo una alta tensione Va di 150kV fra l’anodo e l’elettrodo di accelerazione di polarità opportuna, i protoni prodotti nei pressi dell’anodo sono accelerati e lasciano la camera da vuoto per andare a colpire la targhetta di litio. Essi poterono osservare e misurare particelle

 con energie fino a 8.6 MeV e ranges fino a 8 cm.

Durante queste prime prove trovarono che due particelle  erano emesse in direzione 180˚

ipotizzando la seguente reazione nucleare:

3 7

Li  ₁ ¹ H  ₄ ⁸ Be  ₂ ⁴ He  ₂ ⁴ He

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L’esperimento di Cockcroft-Walton permise per la prima volta trasformazioni L’esperimento di Cockcroft-Walton permise per la prima volta trasformazioni nucleari indotte da particelle accelerate artificialmente in un acceleratore, cioè in nucleari indotte da particelle accelerate artificialmente in un acceleratore, cioè in

un dispositivo progettato per accelerare particelle cariche.

Successivamente gli stessi autori furono in grado di accelerare particelle fino a 700 keV.

Questo tipo di acceleratore fu chiamato COCKCROFT-WALTON dal nome degli inventori.

È considerato il primo acceleratore di particelle elementari costruito al mondo.

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Questo acceleratore aveva una camera di accelerazione chiusa in una ampolla di vetro di 2 m di altezza e un generatore, sempre chiuso in vetro, di un’altezza pari a 3,6 m.

Il generatore era in grado di fornire correnti dell’ordine di 10A cioè pari a ~6.24 x 10¹³ protoni/s.

Intensità equivalente era fornita da una quantità di 34 g di radio.

In un secondo tempo la Philips costruì a Cambridge un acceleratore a cascata in grado di dare 100 A di protoni a un’energia di 1.2 MeV.

Un anno dopo Crockroft e Walton, Van de Graaff, un ricercatore americano, costruì il primo acceleratore elettrostatico, più tardi divenuto uno dei meno costosi e comunemente usati generatori per l’accelerazione di particelle.

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Questi ultimi due acceleratori sono acceleratori lineari ad alta tensione Lo schema di principio di funzionamento è intuibile dalla figura

Una sorgente di elettroni o di ioni è installata all’interno di una camera da vuoto e una alta tensione è applicata agli estremi della camera da vuoto. Quando gli elettroni sono prodotti essi subiscono una accelerazione pari alla tensione applicata. Se la differenza di potenziale è per esempio 1 MV allora gli elettroni alla fine della camera da vuoto hanno una energia di 1 MeV.

Il fascio va poi a colpire una targhetta che può essere interna o esterna, in quest’ultimo caso abbiamo un cosiddetto fascio estratto.

Pertanto un acceleratore lineare è costituito da un percorso lineare in camera da vuoto, per il fascio accelerato e una sorgente di alta tensione per fornire l’energia.

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La camera deve essere il più possibile “vuota” altrimenti le particelle accelerate interagirebbero con le molecole del gas residuo e pertanto non si avrebbe il fascio.

Il principale svantaggio degli acceleratori lineari ad alta tensione è che la camera deve contenere l’alta tensione e i problemi di isolamento diventano il fattore limitativo per le energie più alte. Si riescono a raggiungere tensioni di 15-30 MV.

Il problema è stato del tutto eliminato con i cosiddetti acceleratori lineari a radiofrequenza

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Il principio di funzionamento prevede che le particelle viaggino lungo un percorso rettilineo, all’interno di una serie di elettrodi.

La tensione a radiofrequenza viene applicata alle sezioni contigue in modo tale che le particelle possano ricevere una accelerazione in fase con l’energia da loro posseduta.

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Un miglioramento nelle tecniche di accelerazione si ebbe subito dopo la II guerra mondiale, anche perché le conoscenze sulle microonde a radiofrequenza avevano nel frattempo subito notevoli avanzamenti.

Sebbene gli acceleratori siano capaci di accelerare particelle all’energia del GeV essi hanno dimensioni rilevanti. L’acceleratore lineare di Stanford 3 miglia (3200 m) è capace di accelerare elettroni fino all’energia di 35GeV.

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Acceleratori Circolari Acceleratori Circolari

Contrariamente agli acceleratori lineari gli acceleratori circolari accelerano le particelle in percorsi circolari muovendo le particelle lungo una spirale ovvero lungo una circonferenza.

Il primo acceleratore circolare fu sviluppato da Lawrence e Livingston. Lawrence prese il nobel per questa invenzione.

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All’interno di una camera da vuoto piatta furono installati in una coppia di elettrodi a forma di lettera “D”. Un tensione alternata a radiofrequenza è applicata a questi elettrodi. Le particelle accelerate sono emesse nel punto centrale della camera e precisamente fra i due poli di elettromagnete molto potente.

Partendo da questo punto centrale le particelle viaggiano su orbite circolari. Il campo

magnetico perpendicolare al piano dell’orbita ha la funzione di curvare dette orbite e il

campo elettrico a radiofrequenza ha la funzione di accelerarle. Esse percorrono un

semicerchio di raggio crescente. Durante un giro le particelle sono accelerate due volte.

(31)

Il primo di tali acceleratori raggiungeva un’energia massima per i

protoni accelerati pari a 80 keV e con un altro prototipo fino a 500 keV ma le intensità non superavano 0.01 A .

Dagli anni 20 in poi molti scienziati lavorarono a tecniche di

accelerazione circolari differenti da quelle dei ciclotroni.

(32)

Nel 1940 negli Stai Uniti fu costruito il primo Betatrone ad opera di D.W.

Kerst. Questo tipo di acceleratore consiste in una camera toroidale

installata all’interno dei poli di un elettromagnete. L’elettrone emesso da

una sorgente si muove all’interno della camera da vuoto. Il betatrone non

ha elettrodi acceleranti a radiofrequenza.

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Il campo magnetico applicato svolge due funzioni: quella di deflettere il fascio e di accelerarlo all’interno della camera a vuoto.

Durante una rivoluzione nel betatrone l’elettrone acquista una energia relativamente piccola, dell’ordine di una decina o alcune decine di eV. Se il numero di rivoluzioni è alto e l’energia finale può arrivare fino a 10⁸ eV.

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Il primo betatrone raggiungeva energie di 2.35 MeV.

Nel 1942 Kerst ottenne energie fino a 20 MeV, riuscendo in questo modo ad ottenere una radiazione equivalente a 1 kg di Uranio.

Dopo la guerra si arrivo’ a un Betatrone da 100 MeV costruito dalla General Electric. Nel 1950 si arrivo’ infine a un’energia di 300 MeV. Gli alti costi dovuti alla parte magnetica dell’impianto hanno di fatto limitato fortemente la costruzione di impianti a più alta energia.

Gli anni seguenti alla seconda guerra mondiale hanno segnato un rapido sviluppo delle tecniche di accelerazione.

Indipendentemente in Unione Sovietica (Verksler) e negli Stati Uniti (Mac Millian) furono sperimentati acceleratori basati su questo nuovo metodo. Essi furono chiamati sincrotroni.

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In un sincrotrone le particelle sono accelerate da una tensione a radiofrequenza in un campo magnetico in salita. Questo metodo apri’ nuovi orizzonti e prospettive nell’ambito delle tecniche di accelerazione permettendo la costruzione di diversi tipi di acceleratori:

gli elettrosincrotroni, i protosincrotroni e gli acceleratori per ioni pesanti.

Le orbite sono fisse

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Sebbene in una fase iniziale di sviluppo della tecnica questi acceleratori raggiungevano energie di centinaia di MeV, i protosincrotroni possono raggiungere attualmente energie del TeV.

Contrariamente al ciclotrone, il sincrotrone ha un campo magnetico soltanto nella regione dell’orbita circolare lungo cui le particelle sono accelerate.

L’elettromagnete può essere fatto come un magnete a forma di anello incurvato.

Il diametro delle orbite dei moderni sincrotroni per alte energie può raggiungere diverse centinaia di metri.

L’SPS del Cern raggiunge una energia di 450 GeV con un paio di km di diametro.

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Veksler nell’ambito dei suoi studi di accelerazione progetto’ un nuovo tipo di acceleratore per elettroni chiamato microtrone.

In un microtrone l’elettrone si muove in un campo magnetico curvo lungo un cerchio di

tangenti comuni. Un insieme di elettrodi alimentati a radiofrequenza sono installati nei pressi del punto tangente.

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Ulteriori miglioramenti dei ciclotroni furono i sincrociclotroni e i ciclotroni isocroni.

I primi differiscono dai ciclotroni nella tensione applicata ai magneti a D che non ha una frequenza costante bensì variabile durante i cicli di accelerazione. I secondi differiscono dai ciclotroni a causa del comportamento del campo magnetico lungo l’orbita.

In un ciclotrone classico, questo campo è costante lungo l’intera lunghezza di un’orbita di un dato raggio, nell’isocrono, la particella che si muove in un’orbita di un dato raggio incontra un campo magnetico che in sequenza aumenta e diminuisce.

Gli anelli di accumulazione costituiscono un tipo di acceleratori da considerarsi a parte.

Con l’aumento dell’energia delle particelle ci si e’ posti il problema di come utilizzare tali energie per la sperimentazione.

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Quando l’energia delle particelle accelerate, per esempio protoni e elettroni, che è incidente su una targhetta fissa dell’acceleratore, la maggior parte dell’energia è spesa nel movimento del centro di massa delle due particelle e soltanto una piccola parte nel loro relativo movimento.

Ma poiché la massa particella secondaria formata è determinata dalla parte dell’energia spesa dal movimento relativo. Ciò restringe la possibilità di studiare nuove strutture. Sono i movimenti relativi che forniscono le informazioni necessarie alla comprensione della struttura della materia.

Gli anelli di accumulazione offrono la possibilità di superare questo problema

facendo scontrare due fasci che viaggiano in direzioni opposte.

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Una classificazione degli acceleratori viene effettuata sulla base delle energie massime di accelerazione

Bassa energia ≤ 100 MeV

Energia intermedia 100 ÷ 1000 MeV Alta energia > 1000 Mev

Una ulteriore classificazione consiste nel suddividere fra acceleratori per ricerca e acceleratori per applicazioni pratiche.

(41)

SORGENTI DI ELETTRONI E IONI – TARGHETTE SORGENTI DI ELETTRONI E IONI – TARGHETTE

Lo scopo della costruzione di sorgenti di elettroni e/o ioni è quello di poter produrre un Lo scopo della costruzione di sorgenti di elettroni e/o ioni è quello di poter produrre un fascio di particelle libere, in prima istanza, e di produrlo in modo appropriato in fascio di particelle libere, in prima istanza, e di produrlo in modo appropriato in seconda istanza.

seconda istanza.

Fra l’altro la sorgente svolge anche la funzione di preaccelerazione fino ad energie al Fra l’altro la sorgente svolge anche la funzione di preaccelerazione fino ad energie al centinaio di keV.

centinaio di keV.

La richiesta fondamentale per una sorgente di particelle è che il fascio prodotto sia La richiesta fondamentale per una sorgente di particelle è che il fascio prodotto sia intenso, abbia una piccola divergenza angolare (beam-emittance), grande durata e intenso, abbia una piccola divergenza angolare (beam-emittance), grande durata e stabilita’.

stabilita’.

Negli acceleratori che lavorano in modo pulsato allora è necessario avere un gran Negli acceleratori che lavorano in modo pulsato allora è necessario avere un gran numero di particelle per impulso. Per le sorgenti che utilizzano un gas l’ulteriore numero di particelle per impulso. Per le sorgenti che utilizzano un gas l’ulteriore requisito è che il gas non si esaurisca.

requisito è che il gas non si esaurisca.

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La produzione di fasci di elettroni a scopo accelerazione non differisce La produzione di fasci di elettroni a scopo accelerazione non differisce fortemente dalla tecnica di produzione in altri campi.

fortemente dalla tecnica di produzione in altri campi.

Gli elettroni sono prodotti sulla superficie di un catodo caldo che può Gli elettroni sono prodotti sulla superficie di un catodo caldo che può essere fatto di filamenti di tungsteno. Se un filamento del diametro di 1 essere fatto di filamenti di tungsteno. Se un filamento del diametro di 1 mm è riscaldato a 2600 K, è prodotta una corrente di circa 0.8 A su cm mm è riscaldato a 2600 K, è prodotta una corrente di circa 0.8 A su cm

²²

. .

La vita media di tale dispositivo è relativamente lunga ~ 400 h.

Se la temperatura del medesimo catodo raggiungesse 3000 k, la corrente Se la temperatura del medesimo catodo raggiungesse 3000 k, la corrente aumenterebbe di un fattore 20 ma la durata sarebbe appena 20 ore.

aumenterebbe di un fattore 20 ma la durata sarebbe appena 20 ore.

Va fatta una scelta di compromesso.

SORGENTI DI ELETTRONI SORGENTI DI ELETTRONI

(43)

Oltre ai catodi direttamente riscaldati esistono catodi indirettamente riscaldati; i cosiddetti Oltre ai catodi direttamente riscaldati esistono catodi indirettamente riscaldati; i cosiddetti catodi a ossido.

catodi a ossido.

In questo caso l’elemento riscaldante è all’interno di un tubo la cui superficie è rivestita di In questo caso l’elemento riscaldante è all’interno di un tubo la cui superficie è rivestita di ossidi di metalli quali il bario o lo stronzio. Il vantaggio di questi ultimi catodi è che ossidi di metalli quali il bario o lo stronzio. Il vantaggio di questi ultimi catodi è che possono lavorare a temperature di 1000 K e ciò ne prolunga la durata

possono lavorare a temperature di 1000 K e ciò ne prolunga la durata

La sorgente di elettroni ad alta corrente che viene correntemente usata negli acceleratori lineari per elettroni La sorgente di elettroni ad alta corrente che viene correntemente usata negli acceleratori lineari per elettroni è detta “Pierce gun” cannone di Pierce, dal nome del suo inventore.

è detta “Pierce gun” cannone di Pierce, dal nome del suo inventore.

Alla sua uscita la sorgente di elettroni libera un fascio preaccelerato con energie delle decine di keV.

(44)

SORGENTI DI IONI SORGENTI DI IONI

Gli acceleratori di ioni sono usati per accelerare ioni di vari elementi sia positivi che negativi e Gli acceleratori di ioni sono usati per accelerare ioni di vari elementi sia positivi che negativi e con ionizzazione variabile.

con ionizzazione variabile.

In aggiunta ai requisiti richiesti per le sorgenti di elettroni, le sorgenti di ioni debbono avere un In aggiunta ai requisiti richiesti per le sorgenti di elettroni, le sorgenti di ioni debbono avere un basso consumo di gas e in alcuni casi una facile intercambiabilita’ da gas a gas.

basso consumo di gas e in alcuni casi una facile intercambiabilita’ da gas a gas.

Ci sono essenzialmente tre metodi per ottenere ioni di elementi che sono solidi per esempio ioni di metalli.

Il primo consiste nell’evaporazione dell’elemento e successiva ionizzazione del vapore risultante.

Il secondo metodo consiste nel bombardamento di una superficie solida con un fascio di alta energia.

Sotto l’effetto del fascio sono emessi ioni di un dato elemento, positivi o negativi, dalla superficie Sotto l’effetto del fascio sono emessi ioni di un dato elemento, positivi o negativi, dalla superficie fredda del metallo.

fredda del metallo.

Infine il terzo metodo consiste nell’utilizzazione del metodo Langmuir che consiste nell’evaporazione Infine il terzo metodo consiste nell’utilizzazione del metodo Langmuir che consiste nell’evaporazione diretta di ioni da una superficie calda.

diretta di ioni da una superficie calda.

In pratica ioni possono essere prodotti con il primo metodo irradiando con radiazione elettromagnetica In pratica ioni possono essere prodotti con il primo metodo irradiando con radiazione elettromagnetica (raggi x o ultravioletti) vapori di dati elementi.

(raggi x o ultravioletti) vapori di dati elementi.

Il sistema più frequentemente usato nel campo degli acceleratori di particelle è quello basato sul secondo Il sistema più frequentemente usato nel campo degli acceleratori di particelle è quello basato sul secondo metodo. Se un elettrone di alta velocità interagisce con un atomo di idrogeno o qualche altro elemento, esso metodo. Se un elettrone di alta velocità interagisce con un atomo di idrogeno o qualche altro elemento, esso può strappare un elettrone da un livello energetico dell’atomo producendo uno ione per esempi H

può strappare un elettrone da un livello energetico dell’atomo producendo uno ione per esempi H⁺⁺..

(45)

Il principio di funzionamento è illustrato nella figura.

In questo caso un fascio di atomi non ionizzati si muove nella direzione orizzontale.

Un fascio di elettroni di energia sufficientemente elevata interseca a 90º il fascio di atomi. I Un fascio di elettroni di energia sufficientemente elevata interseca a 90º il fascio di atomi. I due fasci all’interno delle griglie poste a potenziali positivo e negativo interagiscono due fasci all’interno delle griglie poste a potenziali positivo e negativo interagiscono producendo elettroni liberi e atomi ionizzati della specie più numerosa. A causa della producendo elettroni liberi e atomi ionizzati della specie più numerosa. A causa della tensione applicata il fascio di elettroni viene deflesso verso il basso mentre il fascio di ioni tensione applicata il fascio di elettroni viene deflesso verso il basso mentre il fascio di ioni va verso l’alto. La realizzazione di un simile dispositivo è rappresentata in figura.

va verso l’alto. La realizzazione di un simile dispositivo è rappresentata in figura.

Il catodo k emette un fascio di Il catodo k emette un fascio di elettroni.

elettroni.

A causa della pressione bassa A causa della pressione bassa

all’interno del dispositivo nell’urto all’interno del dispositivo nell’urto vengono prodotti a mezzo di

vengono prodotti a mezzo di

ionizzazione per collisione gli ioni, ionizzazione per collisione gli ioni, con esclusione degli altri effetti che con esclusione degli altri effetti che potrebbero giocare un ruolo

potrebbero giocare un ruolo importante a più alte pressioni.

importante a più alte pressioni.

(46)

FERDOS Dr. Adolfo Esposito Gli elettroni emessi dal catodo k entrano nella

Gli elettroni emessi dal catodo k entrano nella regione dell’anodo A attraverso la fenditura S regione dell’anodo A attraverso la fenditura S11 e e lasciano l’apparecchiatura attraverso la fenditura lasciano l’apparecchiatura attraverso la fenditura SS22 raggiungendo la trappola per elettroni T. raggiungendo la trappola per elettroni T.

Questa trappola è connessa elettricamente con Questa trappola è connessa elettricamente con l’anodo. Nella parte di spazio nei pressi l’anodo. Nella parte di spazio nei pressi dell’anodo gli elettroni vengono accelerati a dell’anodo gli elettroni vengono accelerati a mezzo di un campo elettrico pari a 200 volt. Al mezzo di un campo elettrico pari a 200 volt. Al momento dell’iniezione del gas di atomi neutri momento dell’iniezione del gas di atomi neutri, , essi sono ionizzati in ioni positivi. L’elettrodo R essi sono ionizzati in ioni positivi. L’elettrodo R è positivo mentre la parte negativa è collegata è positivo mentre la parte negativa è collegata con l’anodo. Ciò fa si che l’elettrodo fa azione con l’anodo. Ciò fa si che l’elettrodo fa azione di repulsione degli ioni e li dirige verso la di repulsione degli ioni e li dirige verso la fenditura dove trova la tensione V

fenditura dove trova la tensione Vpp che accelera che accelera ulteriormente gli ioni.

ulteriormente gli ioni.

Il gas o il vapore utilizzato provengono o da una Il gas o il vapore utilizzato provengono o da una bombola o da una fornace in cui viene fatta bombola o da una fornace in cui viene fatta avvenire l’evaporazione. La direzione del flusso avvenire l’evaporazione. La direzione del flusso di gas è perpendicolare alla direzione del fascio di gas è perpendicolare alla direzione del fascio di elettroni. I vapori tendono ad uscire dalle tre di elettroni. I vapori tendono ad uscire dalle tre fenditure un sistema di pompaggio estrae il gas fenditure un sistema di pompaggio estrae il gas rapidamente in modo tale che lo stesso non rapidamente in modo tale che lo stesso non possa pregiudicare il vuoto dell’acceleratore.

possa pregiudicare il vuoto dell’acceleratore.

(47)

La sorgente di ioni del secondo tipo “ion plasma source” è basata sul principio della La sorgente di ioni del secondo tipo “ion plasma source” è basata sul principio della ionizzazione per collisione.

ionizzazione per collisione.

Gli elettroni emessi da un catodo caldo producono un plasma sotto l’azione di una scarica Gli elettroni emessi da un catodo caldo producono un plasma sotto l’azione di una scarica elettrica.

elettrica.

(48)

La camera che contiene il plasma ha una ionizzazione diretta del gas, La camera che contiene il plasma ha una ionizzazione diretta del gas, oppure nel caso di ioni di elementi solidi un vapore a 800º dell’elemento oppure nel caso di ioni di elementi solidi un vapore a 800º dell’elemento viene iniettato nella camera a plasma. In quest’ultimo caso un consumo viene iniettato nella camera a plasma. In quest’ultimo caso un consumo di 5 mg/h di sostanza è necessario.

di 5 mg/h di sostanza è necessario.

Questo tipo di sorgente può produrre ioni di metalli quali lo Zn, Ag, Cd, Questo tipo di sorgente può produrre ioni di metalli quali lo Zn, Ag, Cd, Hg, Cu, Bi etc.

Hg, Cu, Bi etc.

Alcune versioni di questo tipo di sistema ha una camera riscaldante fino a Alcune versioni di questo tipo di sistema ha una camera riscaldante fino a 3000ºC in tal caso vengono dette sorgenti calde.

3000ºC in tal caso vengono dette sorgenti calde.

(49)

TARGHETTE PER ACCELERATORI TARGHETTE PER ACCELERATORI

Una targhetta è un elemento soggetto al bombardamento di un fascio di particelle accelerate Una targhetta è un elemento soggetto al bombardamento di un fascio di particelle accelerate con lo scopo di indurre reazioni determinate.

con lo scopo di indurre reazioni determinate.

Tali targhette sono divisibili in due gruppi.

Il prim

Il primoo consiste di targhette oggetto loro stesse di studi e il second consiste di targhette oggetto loro stesse di studi e il secondo di targhette necessarie alla o di targhette necessarie alla produzione di fasci secondari.

produzione di fasci secondari.

Le prime possono essere fatte di qualsiasi materiale si voglia studiare e sono pertanto destinate Le prime possono essere fatte di qualsiasi materiale si voglia studiare e sono pertanto destinate al puro caso di ricerca.

al puro caso di ricerca.

Le seconde possono essere usate sia per ricerca che per altri scopi pratici. Per esempio targhette Le seconde possono essere usate sia per ricerca che per altri scopi pratici. Per esempio targhette in un acceleratore di elettroni possono essere utilizzate per produrre fasci di raggi x, per in un acceleratore di elettroni possono essere utilizzate per produrre fasci di raggi x, per sterilizzare, per radioterapia o per radiografie industriali.

sterilizzare, per radioterapia o per radiografie industriali.

Facendo solo riferimento allo stato del materiale le targhette possono essere solide, liquide o Facendo solo riferimento allo stato del materiale le targhette possono essere solide, liquide o gassose. Le solide per esempio, possono essere costituite da un blocco, da una foglia o da un gassose. Le solide per esempio, possono essere costituite da un blocco, da una foglia o da un film sottile depositato su un supporto.

film sottile depositato su un supporto.

(50)

Le targhette possono essere inserite all’interno di un acceleratore o costituire la parte terminale Le targhette possono essere inserite all’interno di un acceleratore o costituire la parte terminale della camera da vuoto. La posizione dipende da vari fattori: tipo di materiale, specie di particelle della camera da vuoto. La posizione dipende da vari fattori: tipo di materiale, specie di particelle prodotte, metodo usato per la rivelazione delle particelle.

prodotte, metodo usato per la rivelazione delle particelle.

Le targhette inserite all’interno delle camere da vuoto sono di solito resistenti alle alte Le targhette inserite all’interno delle camere da vuoto sono di solito resistenti alle alte temperature e alle radiazioni senza disturbare l’ultra alto vuoto.

temperature e alle radiazioni senza disturbare l’ultra alto vuoto.

Di solito queste targhette sono foglie o blocchi.Di solito queste targhette sono foglie o blocchi.

Targhette esterne vengono usate quando gli ioni sono sufficientemente energetici da oltrepassare Targhette esterne vengono usate quando gli ioni sono sufficientemente energetici da oltrepassare le finestre da vuoto.

le finestre da vuoto.

I requisiti di una targhetta dipendono fortemente dal tipo di misura si debba effettuare e I requisiti di una targhetta dipendono fortemente dal tipo di misura si debba effettuare e comunque la sua qualità è decisiva nel successo di una misura.

comunque la sua qualità è decisiva nel successo di una misura.

Fra i parametri da menzionare ci sono la vita media, la purezza chimica e l’ omogeneità la Fra i parametri da menzionare ci sono la vita media, la purezza chimica e l’ omogeneità la resistenza alla pressione e al vuoto, la capacità termica, l’ uniformità dello spessore etc.

resistenza alla pressione e al vuoto, la capacità termica, l’ uniformità dello spessore etc.

(51)

ACCELERATORI LINEARI ACCELERATORI LINEARI

Andiamo a vedere in dettaglio il funzionamento degli acceleratori lineari a partire dagli Andiamo a vedere in dettaglio il funzionamento degli acceleratori lineari a partire dagli acceleratori elettrostatici.

acceleratori elettrostatici.

(52)

VAN DE GRAAFF

Il principio di funzionamento è mostrato nella figura

Una cinghia senza fine di trasporto della carica, fatta di materia isolante è montata fra due cilindri, di solito diversi metri lontani l’uno dall’altro.

Il cilindro in basso agisce come una puleggia di trasmissione. Il suo

movimento è provocato a un motore che fa muovere la cinghia a una velocità

lineare fino a parecchie decine di metri al secondo. La parte più bassa del

generatore alloggia una apparecchiatura in grado di fornire una carica alla

cinghia.

(53)

Vicino la cinghia infatti è installato un elettrodo a punta che funziona da

sorgente di cariche elettriche. Sotto l’effetto di un campo elettrico intenso, sono prodotti nelle immediate vicinanze dell’elettrodo ioni positivi e negativi. Se la punta è carica positivamente allora le cariche positive vengono spinte verso la cinghia e spostate meccanicamente

verso l’alto. All’interno dell’elettrodo sferico chiamato elettrodo collettore c’è un altro elettrodo a punta. Questo

collettore prende le cariche positive dalla cinghia e le trasporta sulla

superficie dell’elettrodo di alta tensione,

che acquista sempre di più potenziale.

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Secondo quanto indicato in figura l’elettrodo di alta tensione è caricato ad un potenziale positivo. Nei pressi del collettore c’è un ulteriore elettrodo che carica la parte di cinghia che va verso il basso di cariche negative. Un generatore di questo tipo si chiama generatore con due direzioni di carica. È ovvio che il sistema è simmetrico rispetto alla carica.

La corrente massima che si può ottenere da un Van de Graaff dipende dalla densità massima delle cariche che può essere depositata sulla cinghia.

Per una cinghia che si muove in aria alla pressione atmosferica la massima densità teorica di carica è ~ 2.6x10^-9 A s cm², ma in pratica soltanto il 50÷60% di tale valore può essere ottenuto.

Con un generatore con una velocità di trasmissione di 20m/s e larghezza 30cm si potrebbero in teoria fornire 100A ma in realtà se ne forniscono solo 80÷90 A .

(55)

È chiaro che gli elettrodi non possono essere caricati a piacere. Se un generatore di questo tipo opera in aria, delle scariche possono avvenire fra l’elettrodo e le pareti del contenitore in cui è alloggiato. Questo ovviamente oltre certi valori di tensione.

Anche lungo la cinghia di trasmissione possono avvenire scariche.

In aria non si può superare il valore di 30kV/cm.

Gli elettrodi di alta tensione sono di solito di forma sferica. Una sfera di raggio 1 m può raggiungere un potenziale di 3MV.

(56)

I primi Van de Graaff non raggiungevano che il 30% di questo potenziale a causa della non uniforme distribuzione della tensione lungo il generatore. Dispositivi di equalizzazione furono previsti.

Un altro motivo per il non raggiungimento della potenziale nominale è che sull’elettrodo esistono delle micropunte che scaricano l’elettrodo.

Allo scopo di produrre tensioni da 2 a 25 MV fu necessario pertanto costruire impianti molto grandi. Uno dei più grandi acceleratori di questo tipo aveva degli elettrodi da 4.57 metri di diametro posti su colonne isolanti alte 6.7 m. Il sistema era fatto in modo da caricare ad un potenziale positivo di 2.4 MV e l’altro a un potenziale positivo di 2.7 MV. Raggiungendo una tensione massima di 5.1 MV e una corrente di 1.1 mA.

Tutto l’impianto era installato in un’area di 43x23x23 m³.

L’umidità fu inoltre un altro grande inconveniente per i generatori in aria. L’interesse per questo tipo di acceleratori è ormai soltanto storico.

(57)

Allo scopo di eliminare questo tipo di inconvenienti i ricercatori svilupparono acceleratori pressurizzati o pressurizzati e isolati.

(58)

Il Van de Graaff fu quindi inserito in una camera a tenuta in cui immettere un gas a pressione da diverse decine di atmosfere che facesse da isolante. La capacità di isolamento del dielettrico gas è proporzionale alla sua pressione.

L’uso pertanto del gas a pressione ha ottenuto diversi vantaggi:

- dimensioni limitate

- a parità di dimensioni correnti maggiori.

(59)

ISOLANTI

Azoto

Derivati dal Metano

Freon (C CL2 F2) Esafluoruro di zolfo (SF6)

Per quest’ultimo motivo si preferisce usare una miscela Azoto più Freon o SF6. Utilizzati talvolta

Molto usati anche se hanno una azione

corrosiva sui componenti di origine organica

(60)

La costruzione di appropriate cinghie con resistenze dell’ordine di 10¹³ - 16¹⁴ ohm rappresenta una grande difficoltà nella costruzione di questi tipi di acceleratori.

Le cinghie devono allungarsi poco, essere resistenti all’ umidità, avere superfici lisce e possedere una resistenza meccanica notevole. All’inizio fu usata gomma vulcanizzata; successivamente da tessuto in cotone e seta gommata.

Comunque sia le cinghie dovevano essere sostituite dopo non più di qualche migliaio di ore di funzionamento.

(61)

Il sistema di carica in anni sufficientemente recenti fu notevolmente migliorato con l’introduzione del sistema “pelletron” o “laddertron”.

Il primo, introdotto dalla NEC, consiste in una specie di catena fatta con piccoli cilindri metallici senza spigoli, collegati fra loro da agganci di plastica, raggiungendo un tempo di funzionamento superiore alle 40000 ore di funzionamento.

Il secondo tipo consiste in una variante del primo. La cinghia consiste di elementi piatti collegati fra loro da elementi isolanti.

Quando questo tipo di sistema è usato nella carica bidirezionale si ottengono correnti fino a 600A.

(62)

Negli acceleratori Van de Graaff le tensioni variano fra centinaia d kVa a diversi MV.

(63)

Con acceleratori a due stadi TANDEM si ottengono potenziali fino a 20 MV.

È appena il caso di far presente che fra gli acceleratori elettrostatici quello di tipo Van de Graaff è senz’altro il più diffuso a causa dei seguenti vantaggi:

- operazione in modo continuo ( corrente media  corrente istantanea );

- operazione pulsata è possibile;

- fascio prodotto molto uniforme in energia;

- possibilità di accelerare particelle di diversa carica fino ad accelerare ioni pesanti;

- operatività semplice, bassi costi di gestione.

(64)

TANDEM

Un Van de Graaff unito ad altri stadi di accelerazione può costituire un tandem.

Ma vediamo come funziona un sistema a due stadi.

Un fascio di ioni positivi è prodotto all’esterno dell’acceleratore. Questo fascio viene fatto passare attraverso un canale in cui c’è del gas a bassa pressione. Nell’interazione vengono prodotti ioni negativi ottenuti per “attachment” di due elettroni. Il fascio di ioni negativi viene mandato in uno spettrometro magnetico per selezionare esattamente quelli di uno specificato q/m.

Gli ioni selezionati sono iniettati nelle camere da vuoto la cui sezione iniziale è messa a terra . L’elettrodo di alta tensione connesso alla camera ha un potenziale positivo dell’ordine di diversi MV. Gli ioni sono accelerati a una energia pari al potenziale corrispondente e passando attraverso un canale di “stripping” sottile foglia di metallo o carbone, perdono gli elettroni.

I corrispondenti ioni positivi sono accelerati di nuovo. La tensione applicata serve ad impartire due volte l’energia al fascio

(65)

Sistemi a tre

e a quattro stadi

(66)

FERDOS Dr. Adolfo Esposito ACCELERATORI LINEARI A RADIOFREQUENZA (LINAC)

Negli acceleratori lineari a radiofrequenza come già detto le particelle viaggiano in linea retta.

L’incremento di energia avviene a mezzo di un campo elettrico a radiofrequenza in sincronia con il passaggio delle particelle nel sistema di elettrodi cilindrici.

Si fa la distinzione fra linac per particelle leggere (elettroni) e particelle pesanti (protoni, atomi).

Negli acceleratori per elettroni il fascio si muove ad una velocità pari a quella della luce con relativo piccolo cambiamento nella sua velocità dal momento dell’iniezione al momento della fine accelerazione.

Le velocità di protoni e ioni pesanti sono molto più basse pertanto si hanno grandi modifiche durante l’accelerazione.

(67)

I fasci di ioni si muovono in una sistema di elettrodi cilindrici e tubi da vuoto di lunghezza diversa ovvero in un campo elettrico di un’onda elettromagnetica indotta in una guida d’onda.

Gli elettrodi hanno una tensione a radiofrequenza applicata ad essi: entrambi gli estremi di una sezione hanno allo stesso tempo lo stesso potenziale. Il fascio muovendosi lungo l’asse di tale sistema di elettrodi è accelerato soltanto nello spazio fra gli elettrodi (nello spazio fra una sezione ed l’altra).

All’interno delle sezioni il fascio è schermato dal campo elettrico e pertanto non accelerato. Gli elettrodi successivi sono di lunghezze crescenti per accordarsi con la velocità crescente degli ioni. Questo tipo di struttura è particolarmente adatta per accelerare ioni con velocità basse v<<c.

(68)

Un forte campo elettrico è presente fra i due elettrodi di due sezioni contigue. Una particella che si trova in asse con la direzione del campo elettrico e in fase con esso subisce una accelerazione.

Il potenziale dell’ordine di centinaia o migliaia di kV, molto più grande di quello che si potrebbe ipotizzare dalle caratteristiche dielettriche del gap, possono essere ottenute mediante un sistema eccitato da un impulso di tensione a radiofrequenza.

Tali campi elevati sono spiegabili dal fatto che lo sviluppo della scarica richiede più tempo della applicazione della tensione per un tempo veramente corto. I generatori che pilotano tali sistemi operano a frequenze delle centinaia alle migliaia di MHz.

Negli acceleratori lineari del secondo tipo l’accelerazione avviene in un campo elettrico ad onda fissa o ad onda viaggiante. Il sistema ad onde viaggianti è usato negli acceleratori per elettroni vc.