ACCELERATORI DI
PARTICELLE
Carlo Bernardini
Università di Roma “La Sapienza”
[email protected]
Possibilità
•Non ci sono molte possibilità; ciascuna soluzione ha i
suoi problemi.
•All’inizio del ‘900, per usare particelle energiche, si
ricorreva alla radioattività. Le energie disponibili (p.es., 
del Polonio) erano inferiori a 10 MeV.
•Soprattutto, non si avevano “fasci” di particelle cariche
(se non nei raggi catodici, di energia insufficiente.
Qualche keV).
Sorgenti naturali
C’erano i raggi cosmici,
apparentemente
molto
energici,
ma
aleatorii,
mentre l’energia massima
delle particelle alfa è solo
10 MeV.
Acceleratori elettrostatici
Si iniziò con l’accelerazione elettrostatica: una
caduta di potenziale di 1 o più MV che accelerava
nuclei ionizzati.
La differenza di potenziale tra due elettrodi viene usata
per accelerare le particelle.
Nel caso di elettroni essi sono estratti dal catodo e
viaggiando verso l’anodo positivo acquistano
un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la
differenza di potenziale applicata tra catodo Xe anodo
anodo
DE = eV
e-
+
Röntgen
L’apparecchio, realizzato da
Röntgen (1° fisico ad ottenere il
premio Nobel), costituito da
un’ampolla a vuoto con dentro
un catodo connesso al polo
negativo di un generatore di
tensione, era una sorta di
acceleratore. Riscaldato
emetteva elettroni che fluivano
accelerati dal campo elettrico
verso l’anodo (a tensione
positiva) sul quale urtavano
producendo raggi X.
Van de Graaff
Il principio di funzionamento è quello di un
generatore elettrostatico didattico: è costituito da
un elettrodo S di forma sferica e del diametro di
alcuni metri, nell'interno del quale c'è una cinghia
di materiale isolante che per mezzo di un motore
scorre su due rulli. Un generatore G produce una
differenza di potenziale tra il pettine C1 e
l'elettrodo C2. Le cariche (per esempio negative,
il pettine C1 è collegato al polo negativo del
generatore) sfuggono da P secondo il processo
delle punte e vanno a depositarsi sulla cinghia. La
cinghia trasporta le cariche negative nell'interno
di S, dove si trova un secondo pettine C3
collegato con la sfera stessa. Per induzione C3 si
carica positivamente e la sfera negativamente. Le
cariche di C3 sfuggono però da esso e
neutralizzano le cariche della cinghia. La cinghia
ritorna verso il basso scarica e si ricarica di nuovo
passando davanti a C1. Mentre la cinghia
continua a girare, la sfera si carica sempre di più.
Sela carica accumulata sulla sfera è molto
elevata, può dare luogo a scariche elettriche.
USI ATTUALI
•Analisi dei materiali: ad es. Controllo struttura semiconduttori; emissione raggi X
(usata ad es. in storia dell’arte);
•Modifica dei materiali: impiantazione ionica per l’industria dei semiconduttori
Acceleratore Cockcroft e Walton
The accelerator built by Cockcroft and Walton was the first to be used for
experiments in nuclear physics. In this machine, protons - the nuclei of
hydrogen atoms - are released at the top of a glass column emptied of air.
As the protons have a positive electrical charge, they accelerate as they
travel down the glass column and pass through a series of electricallycharged metal cylinders. At the far end of the glass tube is a target: a
piece of metal or other material. The protons collide with the nuclei of
the atoms in the target and break them into fragments. By examining the
fragments, physicists were able to discover more about the detailed
structure of these nuclei. Cockcroft and Walton's first experiments
involved bombarding lithium atoms with protons, resulting in the
production of helium nuclei. This first splitting of the atom in June 1932
earned them the Nobel Prize for Physics in 1951.
Cockcroft-Walton
Walton osserva le
scintillazioni (1932)
CockcroftWalton ISS
Acceleratori lineari
PRINCIPIO
Le particelle emesse da una
sorgente vengono accelerate
dal campo elettrico
longitudinale generato da
elettrodi in successione.
L’idea di Ising (1924) fu
applicata da Wideröe e
nel 1927 venne
realizzato il primo “drift
tube Linac”.
La lunghezza dei tubi è tale che le particelle arrivano nella
‘gap’ fino al tubo successivo quando il campo accelerante è
massimo.
Cavità a radiofrequenza
Wideröe (1928): applicare, al posto di un campo elettrico statico
un campo oscillante con frequenza opportuna tale che la fase
cambi di p durante il tempo di volo fra due gap successive
Campo elettrico
fascio
La struttura accelerante consiste di una cavita’ risonante in cui viene
accumulata l’energia di campi elettromagnetici rf.
La struttura deve essere tale che la fase dell’onda elettromagnetica
sia sincronizzata al fascio.
Il LINAC di DAFNE (Frascati)
e
il LINAC del FermiLab
Acceleratori circolari
Poi però furono concepiti acceleratori in cui le particelle cariche
ripassavano per un potenziale elettrico acceleratore grazie ad un
campo magnetico che le teneva su un’orbita circolare o (quasi).
Ciclotrone (orbite a spirale a frequenza di rotazione indipendente
dall’energia; freq. di ciclotrone). Energie raggiunte  10 – 15 Mev,
protoni o deutoni, fascio continuo.
Sincrociclotrone e microtrone
•Sincrociclotroni SC
(orbite a spirale, la
frequenza varia con
l’energia,
Accelerazione a
Radiofrequenza – RF
- con modulazione di
frequenza) Energie
raggiunte 680 MeV,
protoni o deutoni,
fascio impulsato dal
ciclo RF
•Microtroni o
ciclotrone per elettroni
(poco diffuso).
Energia  10 MeV.
Fermi al sincrociclotrone di
Chicago
Donald Kerst
Betatroni
Betatroni: macchine
circolari, per elettroni, a
campo variabile di cui
usano la forza
elettromotrice su
un’orbita opportuna.
(orbite circolari,
condizione di betatrone)
Energie raggiunte  350
MeV.
Sincrotroni per elettroni
Sincrotroni per elettroni, ES (anelli magnetici a campo variabile
con impianti acceleratori a RF.) Energie raggiunte  6 GeV., fasci
impulsati, alto duty-cycle, esperimenti di coincidenze possibili.
Luce di
sincrotrone
Elettra a Trieste
Protosincrotroni
Il primo progetto di un
acceleratore a protoni con
magnete anulare, a modulazione
di frequenza del campo elettrico
e a variazione periodica del
campo d'induzione magnetica,
venne formulato nel 1943 da M.
L. Oliphant dell' Università di
Birmingham in Gran
Bretagna. In questa stessa
università egli diresse la
realizzazione di un
protosincrotrone di 1 GeV che
PS
in
USA
Negli Stati Uniti gli studi sui protosincrotroni sono stati
intrapresi nel 1947, a seguito del lavoro di McMillan, nei
laboratori di Brookhaven e all'Università di Berkeley.
Ne risultò la costruzione del Cosmotrone di 3 GeV e del
Bevatrone di 6,4 GeV, ultimati rispettivamente nel 1952 e nel
1954.
Queste macchine ponevano gli americani alla frontiera della
fisica delle alte energie.
Grandi Sincrotroni per protoni
Sincrotroni per protoni, PS (anelli magnetici a
campo variabile, RF modulata in frequenza)
Energie raggiunte 1 TeV e oltre. Fascio
impulsato con alto duty-cycle.
IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago
Acceleratori lineari
Acceleratori lineari, LINAC (guide d’onda con controllo
della velocità di gruppo per restare in fase con i
pacchetti del fascio) Per elettroni: 50 GeV, Stanford
SLAC, lunghezza 2 miglia; per protoni: 1 GeV
La famiglia dei Mark
Principali innovazioni
Principali innovazioni nel corso dei tempi:
a)l’idea del betatrone è di Rolf Wideroe,
sviluppata da Donald Kerst nel 1940
b)McMillan nel 1945 e Veksler nel 1944,
comprendono la “stabilità di fase”
c)Hansen nel 1948 usa cavità da LINAC
d)Christofilos nel 1950 inventa il
focheggiamento forte
e) Wideröe inventa (1943) e Touschek (1960)
realizza i colliders (AdA)
Dei ex machina
Bruno
Touschek
e
Rolf Wideröe
AdA
ADONE
DAFNE
Problemi e difficoltà
Problemi e difficoltà:
i)scariche elettriche negli acc. elettrostatici
ii) sorgenti di ioni (ciclotroni e sincrociclotroni)
iii)estrazione del fascio (peeler)
iv)radiazione di sincrotrone (betatroni)
v)pompe da vuoto
vi)fasci di positroni
vii) fasci di antiprotoni e cooling
viii) problemi di duty cycle
Repertorio di formule di base
(in CGS di Gauss!)
P = momento
e = carica dell’elettrone o del protone (in modulo)
m = massa della particella accelerata
c = velocità della luce
B = induzione magnetica
R = raggio dell’orbita
E = energia totale (cin + rest) delle paricelle
accelerate
 = velocità angolare (detta “di ciclotrone”)
n = indice di campo
P = (e/c)BR  P (MeV/c) =
= 300 B (weber/m2)R (m)
= eB/mc se E – mc2<<mc2;
altrimenti:  = eBc/E
n = d(logBvert)/d(logR)
0 < n < 1  focheggiamento debole
n > 1 (ma alternato)  focheggiamento forte
Perdita di energia per radiazione di sincrotrone 
E4/R
Frequenza massima radiaz. di sincr.  (E/mc2)3
LHC
Diagramma
dell’energia degli
acceleratori dal
1930 al 2010
=E2CM/(2mP)
TEVATRON
SppS
HERA
LEP
ISR
(Livingston Chart)
Un incremento di
3 ordini di
grandezza ogni
20 anni
LEP al CERN di Ginevra 1988-2001