corso acceleratori normalconduttivi e superconduttori ... · acceleratori normalconduttivi e...

Corso acceleratori normalconduttivi e superconduttori:

Componenti di un acceleratoreGabriele Chiodini

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Lecce

Progetto di ricerca e formazione Rif. PON01_03054

“R.A.I.SE. Reasearch, Application, Innovation, SErvices in Bioimaging”

1

Acceleratori normalconduttivi e superconduttori: Lezione 3 G. Chiodini - Nov 2013/41

Componenti di un acceleratore

2

• Sorgente

• Vuoto

• Magneti

• RF

• Estrazione (non trattata)


Sorgenti

3

ElettroniEmissione termoionicaFotoemissione

IoniECRPenning (PIG)Ioni Negativi


Sorgenti di elettroni

• Vuoto

• Un catodo che emette elettroni

• Un anodo (con o senza foro)

• Un potenziale di accelerazione

• Una struttura focalizzante

4


Emissione termoionica

5

Metalli riscaldati a temperature prossime all’incandescenza emetto una corrente di elettroni (catodo caldo)


Fotoemissione

6

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

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

Efficienza Quantica Metalli=0.01%

Efficienza Quantica SemiConduttori~=10-30%

La struttura accelerante e’ una cavita’ accelerante a RF

Efficienza Quantica=N elettroni / N fotoni


Sorgente di ioni

• Ingresso gas

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

• Regione di produzione del plasma

• Confinamento magnetico

• Estrazione ioni

7

Plasma


Il IV stato della materia: il plasma

• E’ gas rarefatto ionizzato e l e t t r i c amen te neu t ro (molecole , ioni+, ioni- , elettroni).

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

• Si ott iene dal gas per r isca ldamento, scar iche elettriche, assorbimento di micronde e laser intensi.

8


Moto particella carica in un plasma

• Moto di girazione lungo B. Raggio molto piccolo per elettroni (decine di micron) e molto piu’ grande per gli ioni.

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

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

9

ρgirazione =qBmv

vdrift =EB


Sorgente di ioni ECR (Electron Cyclotron Resonace)

10

fgirazione (elettroni) = v2πρ

=1

2πeBme

fgirazione (elettroni) = 28B(T) = fECR (GHz) condizione di risonananza ECR

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

•Gli elettroni sono intrappolati dallo specchio magnetico e si riscaldano fino a keV e addirittura MeV di energia.

•Gli ioni fuoriescono dallo specchio magnetico e formano il fascio.

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


ECR reale

11


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

• Pressione = 1E-3 Atm

• B=0.1 T

• Catodo puo’ essere caldo o freddo

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

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

• Gli ioni fuoriescono dal forellino e formano il fascio

12


Sorgente PIG reale

13


Sorgente di ioni negativi

14

Gli ioni negativi si ottengono da quelli positivi o da atomi neutri per cessione di elettroni da parte di sostanza a bassa affinita’ elettronica come un metallo alcalino (ad esempio cesio).

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

Due tecniche per produrre ioni negativi:

1. Trasformazione sulla superfice

2. Trasformazione sul volume

B


Produzione e estrazione ioni negativi

15

ESTRAZIONE IONI NEGATIVI•L’estrazione di ioni negativi favorisce anche l’estrazione di elettroni perche’ hanno la stessa carica. •Mediante un dipolo si puo’ eliminare la corrente di elettroni dal fascio di ioni negativi

Tecnica 1: catodo rivestito di cesio

Tecnica 2: miscela gas+cesio


Sistemi del vuoto

16


Unita’ di misura della pressione

17

Il vuoto e’ forza: Pressione x Superfice

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

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


C[litri/s]=Conduttanza

18

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

Conduttanze in parallelo aumenta

Conduttanze in serie si riduce

C(Orifizio di area A )=11.6A[cm2]

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

Meglio condotti corti e larghi


Velocita’ di pompaggio effettiva

19

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

Es: pompa turbomolecolare da 8000 euro S=400 l/sSe collego un tubo di d=10 cm e L=2m ho C=60l/s quindi Seff~60l/s. Meglio comperare una pompa t.m. che costa la meta’ S=60l/s e Seff=30l/s.

La velocita’ di pompaggio di una pompa


Flusso viscoso e molecolare

20

λaria[cm] ~6.7 ⋅10−3

P[mbar]

1 < P < 103mbar 6.7 ⋅10−6 < λaria < 6.7 ⋅10−3cm

10−3 < P < 1 mbar 6.7 ⋅10−3 < λaria < 6.7 cm

P < 10−3mbar 6.7 cm < λaria

Flusso molecolare: dominato da collisioni con pareti

Flusso viscoso: dominato da collisioni tra molecole

Libero cammino medio molecolare

• I due regimi differeriscono completamente per i calcoli e la componentistica del vuoto.•Il regime molecolare e’ quello della vera tecnologia del vuoto e la pressione e’ dominata dalla natura

della superfice che rilascia molecole in continuazione (Outgassing)

/41Acceleratori normalconduttivi e superconduttori: Lezione 3 G. Chiodini - Nov 2013

Classificazione del vuoto

• Medio Vuoto: 10-3<P<1 mbar flusso viscoso

• Alto Vuoto: 10-7<P<10-3 mbar flusso molecolare

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

21


Outgassing e cleaning• Nei sistemi a vuoto la pressione finale e’ data dal

OUTGASSING delle superfici

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

• Metodi di cleaning

• Chimico per togliere residui

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

• Scariche elettriche per togliere gas e metallo atomico

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

22

Pfinale =Qoutgas sin g

Seff

Usare SOLO metalli e MAI plastica:

Qplastica=5000Qmetalli


Metallo vs Plastica

23

Pfinale =Qoutgas sin g

Seff=qoutgas sin gASeff


Misura del vuoto

24

Gauge di Pirani: 1E-4mbar<P<1 mbar - oltre da letture erronee Misura mediante un ponte resistivo la corrente necessaria a m a n t e n e r e c o s t a n t e l a t e m p e r a t u r a d i u n termoresistore posto in vuoto.Piu’ il vuoto e’ spinto meno ra f f reddamento sub i sce i l termistore meno corrente e’ necessaria a mantenerlo caldo.Gauge di Penning 1E-10mbar<P<1E-5 mbar

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

Misura la corrente di ioni generata dagli elettroni emessi in vuoto da un filamento caldo che spiraleggiano in campo magnetico.

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


Pompe per creare il vuoto

25

Pompa primaria a rotazione (a secco o a olio) usata per pompare da pressione ambiente a 1E-2 mbar. S=m3/h.Lavora in regime viscoso creando una depressione tra ingresso e uscita. Spesso prepara il vuoto per la pompa turbomolecolare.

Pompa turbomolecolare usata per pompare da 1E-2 mbar fino a 1E-11mbar e poi puo’ essere tolta. S=10-3000 l/s.Lavora in regime molecolare a trasferimento d’impulso: quando una molecola tocca le lame rotanti la velocita’ trasferita e’ paragonabile alla velocita’ termica ed e’ rimossa.


Pompa per mantenere il vuoto

26

Pompa a sputtering di ioni e’ usata per mantenere il vuoto e puo’ lavorare da 1E-5 mbar fino a 1E-11mbar. S=1-500 l/s.E’ una cella di Penning dove gli elettroni emessi (6kV) ionizzano le molecole residue e fanno sputtering del Titanio che riveste il catodo. Il Titanio si lega chimicamente con i gas residui o seppellisce quelli con cui non reagisce (gas nobili e idrocarburi) trasportandoli cosi’ sulle pareti metalliche dove viene assorbito.


Componentistica da vuoto (chiarire meglio)

27

Soffietto

Tubo di

rame

Flangia,guarnizioni, LFinestra

Valvole di settore


Magneti normalconduttivi

28


Componenti principali di un magnete

29

•Giogo ferro•Poli•Bobine•Supporti meccanici•Sensori termici•Condotti di raffreddamento


Corrente e campo

30

• Sp i e g a re i l r uo l o d e l l e co r ren t i macroscopiche e microscopiche nella creazione del campo e la sua saturazione.

• B=BI*(1+permeabilita’ magnetica)

• Saturazione


Bobina

31

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

2 strati

4 strati

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

Tanti N: bassa corrente, terminali piccoli (facile ed economica connessione), piu’ isolamento, piu’ spazio, piu’ costi di assemblaggio, piu’ alta tensione, meno corrente (meno perdite)

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


Limite magneti normalconduttivi

32

Il ferro satura a T=1.5 -1.8T ed in regime di rampa come nei sincrotroni non puo’ superare un campo magnetico di 1-1.2T.

E’ necessario passare ai magneti superconduttori che sono privi di ferro, solo spire e corrente elevatissima a zero produzione di calore. Vanno pero’ tenuti a temperature prossime allo zero assoluto e quindi necessitano di criogenia,


Sistemi acceleranti a radiofrequenza

33


Cosa e’ un sistema RF• Una particella puo’ essere accelerata solo con

campi elettrici paralleli alla direzione del moto

• Campi elettrici variabili permettono di accumulare energia senza accumelare alta tensione

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

• basse energie

• bass i grad ient i e qu ind i poca accelerazione per metro.

34

Necessario passare dai tubi a dr i f t a campi uni formi a strutture acceleranti a campi distribuiti


Spettro elettromagnetico

35


Componenti principali del sistema RF

• Oscillatore RF

• Amplificatore RF di potenza

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

• Cavita’ accelerante

• Ingresso e uscita fascio

• Ingresso (e uscita) RF

• Misuratori di potenza

36


Risonatore RF a onda stazionaria (SW)

37

Rientrante Nose-cone Disk-loaded Coassiali

Le cavita’ risonanti sono caratterizzate da modi risonanti stazionari che oscillano nel tempo con frequenza f e nello spazio con lunghezza d’onda λ senza propagare (Onda Stazionaria). L’onda stazionaria puo’ essere scomposta in due onde viaggianti in direzione opposta e completamente interferenti ai bordi.

Vviaggiante (x, t) = V0 sin(2πft −2πλx)

Vstazionaria (x, t) = V0 sin(2πft)sin(2πλx)


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

38

Guida d’onda IRIS-loaded:•f=2.856 GHz (banda S)•86 celle di accelerazione•Accoppiamenti input/output•Campi acceleranti di 30 MV/m

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

Sono le condizioni al contorno che determinano se un onda e’ TW o SW


Oscillatore RF• U n t r a n s i s t o r e ’ u n

amplificatore in corrente

• Il segnale di uscita e’ in oppos iz ione d i f ase con l’ingresso (inveretente)

• Due stadi invertenti non invertono

• Mandando in ingresso una parte del segnale di uscita si i nnesca una re t roaz ione positiva a frequenza fRF=1/(RC).

39

R C


Amplificatori RF di potenza a stato solido

Moltissimi amplificatori in parallelo:

• f=325 MHz

• P=190 kW

• 4.7x4.7x2.3m3

40


Tetrodo come amplificatore RF di potenza

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

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

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

• Il limite e’ il tempo di transito degli elettroni legato alla loro velocita’ finita ed alla distanza tra catodo e anodo che non puo’ essere troppi piccola altrimenti aumenta la capacita’ e si riduce la freuqenza di lavoro

41

Tetrodo

50<f<1000MHz, 200kW/tube


Klystron• Il klystron lavora sul principio della modulazione di

velocita’.

• Un cannone elettronico genera un fascio di elettroni.

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

• Gli elettroni in arrivo nella Gap 1 vengono accelerati d i ver samente a seconda de l l a pos i z ione (modulazione in velocita’) e proseguono verso la Gap 2 (Catcher)

• Nel moto per attraversare il tubo gli elettroni piu’ arrivano nella Gap2 in anticipo e quelli piu’ lenti in ritardo (modulazione in posizione)

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

42

Modulazione in velocita’Modulazione in posizione (bunches)


Klystrons reale

43

corso acceleratori normalconduttivi e superconduttori ... · acceleratori normalconduttivi e...

Documents