Acceleratori di particelle

Acceleratori di particelle

Cenni storici

Rutherford esegue il primo esperimento di fisica nucleare bombardando con raggi a emessi da sorgenti radioattive un sottilissimo foglio d'oro, rilevando la deviazione delle particelle causata dall'urto con i nuclei atomici dell'oro.

Questo esperimento aprì la strada all'ideazione e progettazione dei così detti "acceleratori", macchine capaci di accelerare una particella (in genere ioni o elettroni) per farla urtare contro un target e rilevare i frammenti generati dall'urto.

Inizio anni '30

John Douglas Cockcroft e Ernest Walton ottennero tramite un circuito composto da diodi e alternatori, un'alta tensione continua a partire da corrente alternata, in grado di accelerare una particella fino all'energia di qualche MeV.

circuito a diodi

Questo tipo di acceleratore venne definito a " caduta di potenziale" e sfruttava la forza del campo elettrico dovuta a una differenza di potenziale ( F= ΔV/x ) per accelerare ioni prodotti da gas colpiti da scariche elettriche o per riscaldamento.

Nello stesso periodo Van de Graaf crea un nuovo tipo di acceleratore a "caduta di potenziale"in grado di trasportare materialmente le cariche in una piastra, con un processo di carica per strofinio. Questo tipo di acceleratore otterrà, negli anni, maggior fortuna  tanto che viene ancora impiegato nelle ricerche ambientali o nell'analisi dei materiali. Attualmente è presente anche a Legnaro (XTU tandem, AN 2000, CN).

1932

Milton Stanley Livingston e Lawrence svilupparono il "ciclotrone", un acceleratore di forma   spiraleggiante in grado di accelerare protoni fino all'energia di 80KeV.

Anni '30

Rolf Wideroe scopre come sfruttare un campo magnetico variabile nel tempo per incrementare l'energia delle particelle ideando il "betatrone", poi ripensato da Kerst negli anni 40.

Wideroe progetta il primo acceleratore lineare (LINAC) capace di accelerare nuclei fino all'energia di 50KeV, sfruttando dei tubi a scorrimento (drif tube) su cui viene applicata una tensione variabile. Questo modello è l'antenato dell'acceleratore "ALPI "di Legnaro.

Negli stessi anni '40 viene dimostrato il principio di funzionamento del "sincrotrone" che si basa sull'idea di separare l'apparato che guida il fascio di particelle da quello che lo accelera (cavità risonanti capaci di generare alti campi a frequenza variabile). Con questo tipo di acceleratore si arriva in Italia, nel laboratorio di Frascati, all'energia record negli anni 50, di 1GeV. Sfruttando questo progetto si pensò di far collidere non più un fascio di particelle con un taget fisso, ma con un altro fascio di particelle dotato di una certa energia cinetica così da aumentare l'intensità dell'urto (i così detti "collider"). Con lo stesso principio funzionava anche il "Lep" a Ginevra che presentava un anello di ben 27 kilometri di diametro, anello che fa ora da base per l'acceleratore più potente mai costruito che arriverà all'energia di ben 7 TeV chiamato LHC, che entrerà in funzione probabilmente nell'autunno 2008.

Definizione e descrizione acceleratore di particelle

Un acceleratore di particelle è una macchina in grado di aumentare l'energia di una particella al fine di farla scontrare contro un bersaglio detto comunemente "target" per studiare i frammenti prodotti dallo scontro.

Campi di impiego di un acceleratore di particelle sono:

Ricerca in fisica nucleare fondamentale delle particelle e dei nuclei a bassa energia

Ricerche interdisciplinari (fisica nucleare applicata alla biologia, medicina, analisi dei materiali)

Nel centro di ricerca di fisica nucleare di Legnaro sono presenti diversi modelli di acceleratori che possono essere divisi in due classi:

a)     "acceleratori a campo elettrico statico", sul modello dell'acceleratore ideato da Van de Graaf. Ne fanno parte il CN impiegato negli studi di radiobiologia ( 7 MeV), l'AN2000 impiegato nello studio dei materiali e della fisica allo stato solido (2.5 MeV) e XTU Tandem.

b)     " acceleratori a campo elettrico variabile a radiofrequenza", sviluppati secondo il modello LINAC. Ne fanno parte l'acceleratore a cavità super conduttive "Alpi" e l'acceleratore a quadrupolo superconduttivo "Piave".

Schema di funzionamento dell'acceleratore a campo elettrico statico di Van de Graff

L'acceleratore di ioni positivi di H+, He+, N+ ideato da Van de Graaf ha un principio di funzionamento schematizzabile in questi punti:

1. La cinghia isolante (ladderton) in movimento, formata da acciaio,alluminio e MC⁹¹¹ (2) ,sfruttando un principio di strofinio simile all'accumulazione di cariche prodotte dallo strofinio della lana, è in grado di strappare e trasportare dall'alimentatore cariche + fino alla cupola metallica (4).
2. Nella cupola metallica (4) otteniamo dunque un accumulo di cariche +, pertanto avremo una differenza di potenziale tra la cupola e il luogo dove è situato il target (7), che viene posto a massa alla fine del tubo di accelerazione.
3. All'inizio del tubo acceleratore (5) avviene la ionizzazione delle particelle di gas da accelerare causata dall'urto con elettroni liberati da un filamento incandescente.
4. Non appena la particella viene ionizzata positivamente risente di una forza di repulsione data dalle cariche positive accumulate nella cupola metallica, e riceve un incremento di energia pari a E_fin=q x ΔV dove q è la carica della particella e ΔV e la differenza di potenziale agli estremi del tubo acceleratore.
5. La particella accelerata viene fatta scontrare contro un target, ovvero un campione di un altro elemento, e ne vengono studiati i frammenti tramite dei rilevatori.

Parametri variabili e limiti della macchina.

Come già detto questo tipo di acceleratore fornisce un'energia finale pari a E_fin=q x V poiché ci troviamo all'interno di un sistema conservativo per calcolare il lavoro è sufficiente sapere il DV tra i due estremi del tubo acceleratore. Quindi per migliorare le prestazioni possiamo intervenire su q o V. I limiti che bloccano l'evoluzione di questo tipo di acceleratore sono legati ai seguenti parametri:

Non è possibile aumentare all'infinito il D V poiché sopra un certo limite la cupola in metallo "scarica", cioè le cariche + "saltano" nella parte più esterna di rivestimento dell'acceleratore. Per evitare che questo fenomeno avvenga, ed incrementare dunque la capacità massima di cariche che possono essere accumulate dalla cupola, dopo aver eseguito il vuoto all'interno del rivestimento esterno, viene inserito dell'esafluoruro di zolfo (SF₆), un gas isolante che comunque ha una capacità limitata di evitare la scarica.

Il secondo limite è costituito dalla quantità di carica qⁿ⁺ che si riesce a fornire a una particella con il processo di ionizzazione, quantità limitata sia dal numero totale di elettroni estraibili in una particella ( H max1, He max2, N max7) sia dai limiti meccanici che non garantiscono la ionizzazione completa di tutte le particelle di gas.

Schema dell'acceleratore di particelle XTU tandem.

L'acceleratore di particelle XTU tandem presente a Legnaro dagli anni dai primi anni '80 si basa sullo stesso principio di funzionamento del Van de Graaf, solamente raddoppiato.

Schema fonti ioni negativi

Principio di funzionamento fonti di ioni negativi

a)     Il materiale ( 2) da ionizzare viene depositato all'estremità di un'asta in metallo(1). L'Asta viene riscaldata fino alla temperatura necessaria per far evaporare il materiale.

b)     Il materiale divenuto gassoso diffonde all'interno del contenitore dove era stato precedentemente creato il vuoto a una pressione di 10^-7 [mbar].

c)     Il Cs contenuto nell'ampolla (3) viene bombardato da elettroni ed essendo un elettrodonatore libera a sua volta elettroni che diffondono in tutto il contenitore.

d)     Alcuni degli elettroni liberati si aggiungono all'orbita esterna delle molecole di materiale vaporizzato, trasformandola in uno ione^-.

e)     Viene applicata una differenza di potenziale tra o due lati del contenitore di 160kV/180kV (5) in questo modo gli ioni negativi sono attratti dal polo positivo e si dirigono verso il foro di uscita del fascio (4).

Si deve ricordare che le fonti di ioni negativi sono in grado di produrre particelle solo ed esclusivamente di carica -1 poiché la probabilità che un elettrone si aggiunga all'orbita più esterna di un altro elemento è molto bassa. Da questo ne consegue che l'intensità di corrente I = Q/s sarà poco elevata.

Legenda

spar gaps

tubo accelerante

pannelli devianti

pannelli in vetro- colonne isolanti

resistenze- piastre in acciaio

Magnete deflettore

Il magnete deflettore sfruttando la forza di Lorenz riesce a modificare la traiettoria del fascio secondo la legge F=qvB. Conoscendo la carica della particella posso tunare il campo magnetico e in questo modo selezionare le particelle della velocità interessata, dirigendole nell'acceleratore o nel target. Il magnete selezionatore si basa sullo stesso principio della forza di Lorenz.

Tubo di passaggio del fascio (2)

Il tubo di passaggio del fascio generalmente costituito da alluminio per via del suo tempo di decadimento relativamente breve che consente di avvicinarsi alla macchina per eventuali operazioni di manutenzione in tempi brevi.

Colonne isolanti (4)

Le colonne isolanti servono a isolare tra loro le varie piastre d'acciaio e sono generalmente costruite in vetro o plexiglass per la scarsa conduzione elettrica di questi materiali.

Piastre in acciaio (5)

Le piastre in acciaio sono essenziali per fornire l'accelerazione delle particelle. Nelle piastre sono presenti delle resistenze (600Mohm) che consentono di distribuire in maniera omogenea la differenza di potenziale tra l'ingresso dell'acceleratore e il terminale ad alta tensione. Tra una piastra e l'altra sono presenti anche delle sparcs gaps (1) che limitano i danni in caso le piastre "scarichino".

Stripper

Foglio generalmente composto di Cadmio, Oro o Carbonio ( 10mq di spessore) che permette, al passaggio del fascio, di strappare elettroni alle particelle e trasformare le particelle cariche - in particelle cariche + .

Stirer

Particolari generatori di campi elettrici in grado di polarizzare il fascio al fine di renderlo più compatto poiché le particelle tenderebbero, durante il proprio percorso, a divergere dalla traiettoria lineare e scontrarsi con le pareti del tubo accelerante. Vengono sempre fatti lavorare in coppia per ogni asse per questioni di ottica del fascio. Il primo provoca un "effetto specchio" che devia con lo stesso angolo di incidenza le particelle uscite dalla traiettoria lineare, il secondo le fa rientrare in quest'ultima.

Trippletto

Tre quadrupoli magnetici in serie che permettono la focalizzazione del fascio in entrambi gli assi, previo l'uso di campi magnetici molto forti. Questi si trovano in molteplici punti del tubo di accelerazione.  

Pompa da vuoto

Verrà specificato in seguito il funzionamento di questa apparecchiatura. È importante ricordare però che l'interno dell'acceleratore viene riempito di SF₆ per evitare le scariche delle piastre che fungono da condensatori.

Schematizzazione del principio di funzionamento dell'acceleratore xtu tandem

1. Il fascio di ioni negativi prodotti dalla sorgente risente di un'iniziale differenza di potenziale tra la sorgente stessa e il foro d'ingresso dell'acceleratore, riceve pertanto un incremento di energia pari a 200 KeV.
2. All'inizio del foro di entrata nel xtu tandem il fascio di ioni risente di una nuova differenza di potenziale pari a 15 MeV tra il foro e il terminale ad alta tensione distribuiti gradualmente tra le varie piastre in acciaio (il terminale  viene caricato da una cinghia rotante secondo il processo già descritto nell'acceleratore di tipo Van de Graaf)
3. Dopo essere stato accelerato fino al terminale, il fascio passa attraverso lo stripper dove perde un numero n di elettroni caricandosi di conseguenza positivamente. Q₁=Q ^{(n+) -1}.
4. A questo punto il fascio, carico positivamente, viene respinto dal terminale ricevendo la seconda accelerazione.
5. Poiché il foglio di stripper non strappa a tutte le particelle lo stesso numero di cariche, all'uscita dall'acceleratore avremo un fascio costituito da particelle di diversa energia.
6. Le particelle vengono dunque selezionate da un magnete in base alla forza del campo magnetico applicato che deflette in maniera diversa cariche diverse secondo la legge di Lorenz.
7. Una volta selezionate le particelle con l'energia desiderata dall'utente si prosegue a far scontrare il fascio contro il target o nel caso dell'acceleratore suddetto a spedire il fascio nell'acceleratore alpi per un'ulteriore accelerazione.

Calcolo del lavoro eseguito dall'acceleratore e problemi che ne limitano le potenzialità.

L'energia finale di una particella accelerata da xtu tandem è data dalla formula (1+q)V [MeV] dove q sta per la carica della particella dopo il processo di stripping e V è la differenza di potenziale tra la sorgente e il terminale ad alta tensione.

I limiti meccanici della macchina sono dati da:

La difficoltà di avere un I intensa sia perché la sorgente fornisce un fascio di ioni relativamente basso, sia perché il processo di stripping fa perdere alcune particelle al fascio.

La difficoltà di alzare sopra un certo valore la carica del terminale per le stesse motivazioni dell'acceleratore di tipo Van de Graaf, ovvero che sopra un certo limite le piastre scaricano.

La spinta della seconda accelerazione inoltre è legata alla formula 1+1/q pertanto più lo stripper ionizza il fascio, meno questo risentirà della seconda spinta. Si dovrà dunque lavorare sullo spessore del foglio di stripper per garantire la giusta ionizzazione.

Alpi

L'Acceleratore di particelle a campo elettrico variabile e cavità risonanti superconduttive, concettualmente può essere catalogato negli acceleratori di tipo Linac di cui fornisco uno schema.

Spiegazione concettuale del funzionamento di un acceleratore LINAC.

Questo tipo di acceleratori sono formati da una serie lineare di generatori di campi elettrici che forniscono una spinta sequenziale alle particelle nel tubo di scorrimento. Concettualmente si può paragonare il funzionamento a una serie di condensatori disposti in linea retta che attirano, uno dopo l'altro, la particella. Naturalmente se le cariche nei " condensatori" rimanessero costanti di segno nel tempo, la particella subirebbe un processo di accelerazione seguito da uno di decelerazione: essa verrebbe attratta nel primo intervallo (quindi accelerata) e poi respinta nel secondo andando incontro a una carica dello stesso segno. È pertanto necessario cambiare, con una certa frequenza, le cariche nei condensatori per garantire alla particella un campo elettrico sempre accelerante. Questo cambiamento viene garantito dal generatore a radiofrequenza.

Per far in modo che la particella non risenta dell'inversione di campo si deve confinarla, durante il tempo necessario all'inversione, nelle gabbie di Faraday ,ovvero gabbie metalliche dove la particella è schermata (nello schema sono rappresentate dai cilindretti rossi e blu ovvero dai " condensatori" stessi) poiché il campo elettrico all'interno di un conduttore è E=0 .

Poiché il tempo necessario all'inversione di campo è costante (con un solo generatore), mentre la velocità della particella aumenta nel tempo, le gabbie devono essere sempre più lunghe per fare in modo che il tempo di percorrenza della particella sia uguale al tempo di inversione del campo e che quindi la particella non risenta la fase di inversione. Per ovviare a questo inconveniente si è ricorsi all'utilizzo di molteplici generatori che aumentano la loro frequenza di inversione lungo il percorso del tubo accelerante, in questo modo le gabbie di Faraday possono essere costruite della stessa lunghezza, ma cambiando la velocità di inversione del campo, la particella si troverà sempre all'interno di un campo accelerante.

Descrizione dell'acceleratore alpi a partire dallo schema LINAC

Nell'acceleratore a radiofrequenza variabile Alpi, quelli che ho chiamato prima "condensatori" per facilitare la spiegazione, sono in realtà delle cavità risonanti nelle quali viene amplificata un'onda elettromagnetica che genera il campo elettrico accelerante. Queste cavità sono raggruppate in quaterne all'interno di contenitori (cilindri metallici in foto). Le cavità, in Alpi, sono divise in tre settori: una a bassa energia ( 80MHz), una a media energia ( 176MHz) ed una ad alta energia (352MHz).

Componenti dell'acceleratore Alpi

Cavità risonanti : Schema

Componenti

1. coupler
2. loop
3. tuner
4. pick-up
5. onde elettromagnetiche fatte risuonare
6. gabbia di Faraday

Cavità risonanti: spiegazione

Le cavità si differenziano a seconda del livello energetico di risonanza che devono raggiungere. Quelle con frequenza più bassa sono costituite interamente da niobio, mentre quelle a frequenza più elevata, in rame spatterato internamente di niobio. Uno dei motivi percui viene usato questo tipo di materiale è la sua alta temperatura critica di passaggio a superconduttore.

Pick-up

Rilevatore in grado di misurare la frequenza interna alla cavità.

Amplificatore (A)

Serve ad amplificare il segnale derivante dal controller (C), e poi trasmetterlo al coupler.

Coupler

Elemento fondamentale della cavità costituito da un filamento in lega di rame detto loop all'interno del quale passa una corrente elettrica alternata. Essa da origine a un campo magnetico che "risuona" nella cavità. I materiali che formano il coupler devono essere amagnetici, non devono degasare a causa delle basse pressioni a cui vengono sottoposti e, soprattutto, devono resistere al restringimento dovuto all'abbassamento della temperatura mantenendo allo stesso tempo la forma necessaria per il funzionamento meccanico dell'oggetto (in genere di acciaio inox e rame). Il loop infatti può essere inserito in posizioni variabili determinate da un motorino esterno, per regolare la frequenza della cavità risonante.

Tuner

Disco metallico generalmente in rame spatterato di niobio internamente, comprimibile con l'azione di un motorino esterno su un eccentrico o su una di leva. Questo serve per variare il volume della cavità in modo tale da regolarne la frequenza. I parametri massimi di variazione sono +/- 5KHz.

Gabbia di Faraday

Parte della cavità dove passa la particella durante il periodo di inversione del campo elettrico. La sua lunghezza deve essere uguale a L=b x l dove b è la velocità relativistica della particella l è la lunghezza d'onda della stessa.

Principio di funzionamento

1. Si genera una corrente elettrica alternata nel loop, cioè un passaggio di cariche prima positive poi negative che seguono un andamento sinusoidale, con frequenza variabile in base alla quantità di energia che si vuole fornire.
2. La corrente genera all'interno della spira del loop un campo magnetico anch'esso variabile nel tempo che viene fatto risuonare nella cavità. Questo consente l'amplificazione del campo.
3. Il campo magnetico variabile genera a sua volta un campo elettrico variabile con la stessa frequenza della variazione di corrente nel loop. È importante notare come in questo caso il campo elettrico non si generi tra le due piastre di un condensatore  (come per semplicità di spiegazione si era schematizzato in precedenza) ma all'interno della cavità stessa.
4. Le particelle vengono fatte passare nel momento in cui il campo elettrico è favorevole per l'accelerazione.
5. Le particelle entrano all'interno di una di gabbia di Faraday durante il tempo di inversione del campo elettrico.
6. Quando esse escono dalla gabbia, trovando un campo elettrico favorevole, accelerano ulteriormente. Processo questo che si ripete quattro volte nella stessa cavità.

Le cavità risonanti funzionano a temperature dell'ordine dei 4 Kelvin (la temperatura dell'He liquido) per sfruttare le capacità di superconduttività dei metalli che le compongono. In questo modo si ottiene un risparmio di energia notevole. I contenitori sono costruiti a strati: uno stato più esterno viene riempito di N liquido alla temperatura di 77K, e viene isolato dall'esterno. Lo strato più interno viene invece riempito da He liquido e viene creato uno strato di vuoto tra lo strato di He e lo strato di N per evitare la dispersione termica.

Taratura delle cavità risonanti

1. Il fascio partito dalla sorgente viene centrato nel misuratore di profilo.
2. Viene accesa la prima cavità e il fascio subisce una deviazione dovuta all'incremento di energia ricevuto. Questa variazione di energia dipende dall'intensità del campo elettrico che incontra nel momento in cui entra( si ricorda che il campo varia nel tempo seguendo una sinusoide).
3. Si procede dunque a spostare la fase del campo fino alla centratura del fascio nel misuratore di profilo.
4. Ritornati ad essa, la particella non subisce alcun tipo di accelerazione, ciò significa che entra nel campo accelerante nel momento in cui la sua intensità è zero.
5. Si procede dunque a uno spostamento di fase che porti la frequenza esattamente alla frequenza desiderata.( 80MHz-176MHz-352MHz)
6. Con lo spostamento del tuner si prosegue poi a modificare ulteriormente la frequenza della cavità nel caso questa vari di volume per il cambiamento di temperatura.
7. Si procede con lo stessa procedura per le altre cavità.

Ulteriori macchine collegate all'acceleratore Alpi

D.D.B. (double drift bouncer)

Macchina in grado di compattare in pacchetti le particelle del fascio. I pacchetti hanno una distanza tra un picco e l'altro di ns. Passando poi per la prima cavità risonante settata a frequenza 0Hz, detta CRB2, i pacchetti raggiungono la distanza di 500rs. L'acceleratore "Alpi"è in grado di funzionare solo ed esclusivamente con pacchetti di particelle perché essi devono passare nelle cavità durante l'intensità giusta di campo, ed essendo un campo variabile non può accelerare un flusso continuo. Il grafico di corrente di particelle dell'"Alpi" sarà pertanto sinusoidale.

Misuratore di profilo.

Costituite da un reticolato di fili estraibile con dei motorini elettrici, servono una rilevare la forma del fascio. I quadrupoli focalizzano il fascio in questo tipo di rilevatore, e dai dati ricevuti si procede all'aggiustamento della traiettoria agendo sempre sui quadrupoli.

Faraday cap

Rilevatore in grado di misurare l'intensità del fascio.

Piave

Acceleratore a radiofrequenza utilizzato come booster di "Alpi" per ioni pesanti, fino all'oro.

Fonte di ioni positivi di tipo E.C.R. ( Electron Cyclotron resonance)

Questo tipo di fonte ha il vantaggio di produrre un q più basso di una semplice fonte a ionizzazione di tipo EBIS ( ionizzazione di gas a partire da riscaldamento di un filamento ) ma un'intensità I pressoché illimitata. Il processo di funzionamento si questo tipo di fonte si basa su tre punti:

1. Confinamento magnetico
2. Risonanza ECR
3. Ionizzazione

1. solenoide

2. campo magnetico

a. Come è possibile vedere dallo schema due solenoidi sono in grado di produrre due campi magnetici dove è possibile confinare la particella. Essa decelera uno dei componenti del suo vettore velocità mentre si avvicina al picco di un campo, contemporaneamente viene accelerato uno degli altri due componenti. Il risultato non è una variazione dell'energia interna alla particella, ma semplicemente una diversa spiralizzazione nello spazio della stessa. Questo processo permette pertanto di intrappolare la particella all'interno di questi due campi.

b. Vengono sparate all'interno della cavità delle onde elettromagnetiche ( generalmente alla frequenza di 14 MHz) che mandano in risonanza i pochi elettroni liberi della sostanza confinata all'interno dei campi magnetici.

c. Gli elettroni eccitati vanno a collidere con le altre particelle provocando la ionizzazione del materiale. Viene pertanto creato un plasma e attraverso l'applicazione di una differenza di potenziale vengono estratti gli ioni.

All'uscita si ottiene uno spettro di elettroni con diversa energia che viene deflesso da un dipolo secondo la legge di Lorenz. Questo consente di variare l'intensità del campo magnetico per selezionare le particelle con la carica desiderata.

Il maggior difetto di questo tipo di fonte è sta nella difficoltà di confinare la particella per il tempo minimo necessario ad aumentare l'energia fino a livello desiderato.

Nello schema dell'acceleratore sono presenti inoltre anche diversi tripletti per polarizzare il fascio, magneti per deviarlo, e stirer per raddrizzarlo in caso di variazione della traiettoria. Il funzionamento è già stato spiegato nelle componenti del tandem.

Inoltre sono presenti dei sistemi di pompaggio per il vuoto, illustrati successivamente.

Percorso delle particelle nell'acceleratore "Alpi "

Plancia controllo

Zona sperimentale 2

Zona sperimentale 1

PIAVE

Alpi

xtu

La particella può seguire diversi percorsi a seconda dell'energia richiesta dall'utente o del peso di essa. " Xtu" viene usato come booster di "Alpi" in caso di particelle leggere alle quali si riesce a fornire un'elevata accelerazione. Se le particelle sono pesanti come booster viene utilizzato "Piave". All'uscita da tandem la particella ha una velocità che varia da 0.05 a 0.01 b, mentre quando esce da "Alpi" può arrivare fino a una velocità di 0.12 b Il fascio pertanto, dopo essere stato accelerato da "Alpi", si dirige verso una delle zone sperimentali.

Super conduttività

Proprietà di alcuni materiali di raggiungere una resistenza elettrica quasi nulla al di sotto di una temperatura critica.

Nei metalli normali l'elettrone si sposta nella parte superficiale del materiale ma può incontrare degli impedimenti che generano resistenza. Questi sono causati da:

Urto degli elettroni con i nuclei

Vibrazione del reticolo causato dalla temperatura ( fononi)

Impurezze o distorsioni del reticolo

Nel 1911 Leyden ,dopo aver scoperto come liquefare l'azoto e raggiungere la temperature di 77K , riscontrò che alcuni materiali sotto una certa temperatura critica miglioravano in maniera eccezionale la loro conducibilità elettrica. Il primo esperimento fu eseguito sul mercurio. Dopo aver indotto una corrente in un tondino di metallo, portato a livelli di superconduttività, questa corrente rimane costante all'infinito. Il fenomeno si spiega con l'interruzione delle vibrazioni del materiale.

Il niobio è il materiale più usato per le cavità perché ha una temperatura critica relativamente alta ( 9.5k) e quindi più facile da raggiungere.

Un altro effetto importante dei materiali super conduttivi è l'effetto moisler che impedisce al super conduttore di essre attraversato un campo magnetico. Il campo magnetico esterno produce però delle micro correnti elettriche nel metallo e questo, a sua volta, genera un campo magnetico uguale e contrario. Questo spiega per esempio il fenomeno della levitazione magnetica sfruttato anche nei treni ad alta velocità.

Processo di spattering

Il processo di spattering è una tecnica che consente di depositare su un materiale un sottilissimo strato di matallo.

1. All'interno di un contenitore dove precedentemente era stato creato il vuoto viene fatto diffondere dell'argon.
2. Da un magneton vengono sparati degli elettroni che risentendo di un campo magnetico spiralizzano andando a collidere con le molecole del gas.
3. Gli urti generano un plasma di argon che colpendo il target lo corrodono nella parte superficiale.
4. Le piccole particelle superficiali di materiale colpito vanno a depositarsi sul materiale che si voleva ricoprire.

Questo processo consente di risparmiare moltissimo materiale, evitando ad esempio di costruire della cavità in niobio massivo, limitandosi a ricoprire una cavità in rame con un sottilissimo strato di niobio. Il processo di spattering viene utilizzato anche il campo industriale nelle coperture dei cd, dei dischi rigidi dei computer, per alcuni tessuti pregiati e altre procedure.

Applicazione degli acceleratori di particelle alla medicina

Gli acceleratori di particelle, in via ancora sperimentale, vengono impiegati in medicina per la cura dei tumori. Vengono utilizzate due differenti tecniche in base alla tipologia di tumore:

A. L'IMHT (terapia andronica conformazionale a modulazione di intensità) se il tumore è ancora localizzato. La prima tecnica consiste di accelerare un fascio di protoni (H-1), ioni di carbonio (C-12) o ossigeno (O-16) e sparali contro le cellule tumorali. I vantaggi di usare un acceleratore consistono nel ridurre al minimo i danni alle cellule sane poiché il fascio di protoni/ioni ha una tipica curva di rilascio dell'energia ( curva di Bragg) che consente di circostanziare la zona colpita. Allo stesso tempo l'energia essendo concentrata in un piccolo spazio produce effetti molto maggiori di una normale chemioterapia.

B.SPES-BNTC o terapia di cattura neutronica da Boro quando il tumore ha già iniziato la metastasi. Questa tecnica si basa su due principi:

1. Si iniettano delle molecole trasportatrici di B¹⁰ (BPA, BAH) in grado di accumularsi nel citoplasma delle cellule tumorali. Il B¹⁰ ha la proprietà di essere un ottimo recettore di neutroni a bassa intensità e di scindere in Li⁷ e He¹² quando viene colpito da essi, liberando energia , senza che i frammenti percorrano distanze nei tessuti più lunghe del diametro della cellula (10mm).

2. Attraverso l'utilizzo di neutroni termici (0.0253eV) il boro viene scisso provocando l'apoptosi della cellula.

Questa tecnica dovrebbe essere utilizzata per la cura del glioblastoma multiforme e del melanoma maligno. Per attuarla è necessaria una quantità elevatissima di neutroni termici che attualmente si riesce a produrre solo con un reattore nucleare ma si sta cercando di sviluppare un acceleratore in grado di compiere questo lavoro (TRASCO). Un acceleratore ha il vantaggio di essere una macchina elettrica quindi facilmente controllabile in caso di incidente.

Rivelatori a scintillazione

Il fenomeno della scintillazione viene provocato dal salto di orbitale di un elettrone dopo essere stato eccitato da una radiazione elettromagnetica, ovvero un pacchetto di fotoni. L'elettrone ritornando nella sua orbita emette la stessa quantità di fotoni ricevuta, quindi emette luce che può essere rilevata attraverso dei fotocatodi ovvero dei particolari tipi di materiali che quando vengono colpiti da fotoni emettono elettroni. Gli elettroni emessi vengono moltiplicati con dei fotodinodi e, registrata la corrente di elettroni, il segnale viene digitalizzato. Generalmente se si parla di scintillatori, per amplificare il fenomeno di fluorescenza si sfrutta il fenomeno di Energy transfer con il quale, materiali come il P-terfenil,e sono in grado di catturare l'energia rilasciata dagli elettroni mentre ritornano nell'orbitale originale e di amplificare il fenomeno di fluorescenza.

Concetti fondamentali di vuoto

Si parla di vuoto in qualsiasi sistema che presenti una pressione inferiore alla pressione atmosferica, cioè in una qualsiasi condizione in cui il numero di particelle in una porzione di spazio sia inferiore al numero medio delle particelle presenti nell'atmosfera terrestre nello stesso spazio

Si distingue il vuoto in tre diverse condizioni:

1. Basso (1x10⁵-1x10¹ Pa)
2. Alto (1x10^-1-1x10^-6 Pa)
3. Ultra alto (1x10^-6-1x10^-10 Pa)

Si distinguono pertanto tre diversi tipi di moto delle particelle all'interno di un contenitore.

Questo fatto è molto importante da tenere in considerazione perché a livello molecolare la dinamica del gas è determinata dalla forma del contenitore.

I problemi che possono impedire la creazione del vuoto in un contenitore sono:

Degasamento

Fughe reali/ virtuali

Riflusso

Permeazione

Diffusione

Tipologie di pompe utilizzate

Le pompe si dividono in pompe aperte (meccaniche, diffusione e turbo molecolari) e chiuse; quelle chiuse si distinguono ulteriormente in base al principio di funzionamento: fisico ( criopompe) e chimico (getters evaporabili, getters non evaporabili, pompe ioniche).

Per creare il vuoto nelle cavità superconduttive degli acceleratori generalmente vengono usati due tipi di pompe che lavorano in coppia. La prima a basso vuoto, generalmente ad olio che porta la pressione interna a circa 1x10^-3 bar; la seconda pompa è generalmente una pompa di tipo turbo molecolare che porta le cavità fino alla pressione di 1x10^-10. Se si vogliono raggiungere pressioni ancora inferiori si deve far ricorso a pompe di tipo ionico.