Slide delle lezioni su acceleratori di particelle e sorgenti di ioni nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò)

1. Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012
Acceleratori e sorgenti
di ioni
Bibliografia essenziale:
• Y. Wang, M. Nastasi ed.s “Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis” MRS
• R. Hellborg ed. “Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications” Springer-
Verlag
• B. Wolf ed. “Handbook of Ion Sources” CRC press
• J.B. Marion “Accelerator Calibration Energies” Rev. Mod. Phys. 38 (1966) 660

2. Schema di un tipico set-up

3. Acceleratore elettrostatico:
configurazione “single-ended”

4. Tensione di terminale
“Meccanico” “A stato solido”
Van de Graaff, Pelletron Cockroft-Walton

5. Cockroft-Walton
voltage multiplier

6. Acceleratore elettrostatico:
configurazione “Tandem”

7. Acceleratore elettrostatico:
configurazione “Tandem”

8. Generating Voltmeter
(GVM)

9. Processo di “stripping”:
distribuzione stati di carica

10. Processo di “stripping”
N2 gas
N2

11. Sorgente di ioni:
RF

12. Sorgente di ioni:
Duoplasmatron

13. Sorgente Duoplasmatron
per la produzione di He
Li Charge Exchange Cell

14. Sorgente di ioni:
Cs-sputtering

15. Work function di una superficie
metallica coperta di Cs

16. Trasporto di un fascio:
sorgente-acceleratore

17. Cosa è un “fascio” ?
• Un insieme di particelle in moto, con velocità in una
direzione molto maggiore della velocità nelle altre due
• Ogni particella ha posizione e velocità che possono
essere indicate da un punto nello spazio delle fasi a 6
dimensioni {x, vx, y, vy, z, vz}
• Ipotesi:
- le particelle non interagiscono tra loro
- le forze esterne che agiscono sulle particelle
sono conservative (il fascio è “reversibile”)
- vz >> vx, vy (z è l’asse di propagazione del fascio)

18. Teorema di Liouville
“Per un insieme di particelle non-interagenti che si
muovono per effetto di forze adibatiche (sistema
dinamico conservativo) la densità di stati nello
spazio delle fasi è costante”
Il teorema di Liouville rappresenta una sorta di “principio di
indeterminazione” per i fasci di ioni:
• se si confina il fascio nello spazio lo si rende più divergente
• se si rende il fascio più parallelo, il suo diametro aumenta
! !
drift
x x
La forma nello spazio delle fasi cambia, ma l’AREA RIMANE COSTANTE

19. Forze che agiscono su
particelle cariche
Le particelle cariche sono accelerate, deviate (steering) e
focheggiate usando combinazioni di campi elettrostatici e magnetici
B
E v
q q
F = qE F = qv!B
In un campo elettrostatico In un campo magnetico
uniforme: uniforme:
• particelle sono accelerate • energia delle particelle
(aumenta l’energia) costante (forza
• traiettorie sono linee rette perpendicolare alla direzione)
• campo è prop. a E/q (indip. • traiettorie sono circolar
massa) • campo è prop. a p/q

20. Quadrupolo magnetico
0

21. “Einzel lens”

22. Simulazione del trasporto
di un fascio di particelle

23. Misura dell’intensità di un
fascio di particelle

24. Soppressione degli
elettroni secondari
Elettrostatica Magnetica
-

25. Visualizzazione di un
fascio di particelle

26. Beam Profile Monitor

27. Microscopia nucleare
Fascio di ioni
Lente
dall’acceleratore
Campione
Rivelatori
Sistema di
Immagine
scansione
nella memoria
del computer

28. Microfasci ionici collimati
Utilizzo di un diaframma/apertura per
definire il fascio (focalizzazione “bruta”)
✓ Semplice ed economico
! Intensità diminuisce con il diametro
! Le particelle diffuse dall’apertura e i
segnali di fondo dovuti all’interazione
particelle-diaframma possono
influenzare le misure
! Il fascio non può essere scansionato
rapidamente

29. Slit scattering
• Intorno al bordo delle slitte può
esistere una zona “trasparente”
per ioni dell’energia del MeV
• Diffusione a picco angoli cambia
energia e direzione degli ioni
• “Alone” di ioni diffusi intorno
allo spot del fascio
Rapporto tra zona trasparente e apertura: 2"2 / Rd
(R = raggio slitte, d = apertura slitte, " = range ioni)
R = 6 mm
Fascio diffuso/ fascio diretto

30. Microfasci ionici focheggiati
Utilizzo di un sistema di lenti per definire il
fascio (focalizzazione “forte”)
✓ Forma uno spot di dimensioni inferiori a quelli
dell’apertura
✓ Riduce l’effetto dello slit scattering
✓ Rapida scansione (elettromagnetica)
! Costi (non è semplice fare delle lenti per ioni di energia
del MeV)

31. “Calibrare in energia” un
acceleratore...
... significa trovare la relazione tra i
valori “nominali” e i valori “reali” dei
parametri:
• B (magnete di analisi) " E#
• V (generating voltmeter) " E

32. Calibrazione in energia
di un acceleratore
• Metodo delle risonanze in reazioni
(x,γ), (x,x)...
• Metodo dell’energia di soglia in
reazioni (x,n)

33. Metodo delle risonanze
in reazioni (x,γ), (x,x)...
Y$,p (Yield o resa),
numero di raggi gamma
o di particelle rivelate
per numero di particelle
incidenti di energia E:
Y$,p " !Breit-Wigner(E - Eres)

34. Metodo dell’energia di
soglia in reazioni (x,n)
Yn (Yield o resa),
numero di neutroni
rivelati per numero di
particelle incidenti di
energia E:
Yn " (E - Ethr ) 3/2

35. Energie di calibrazione (p)

36. Energie di calibrazione ( 3,4He)

37. Dalle yield all’ “energia”
Metodo delle risonanze:
Y$,p(T) " !Breit-Wigner(T - Tres)
• Plot di Y$,p vs T
• Fit per trovare Tres
Metodo dell’energia di soglia:
Yn(T) " (T - Tthr)3/2
• Plot di Yn2/3 vs T
• Estrapolazione a Yn = 0 per trovare Tthr

38. Misura di “resonance yield”
27Al(p,#)28Si
ER = 991.90 ± 0.04 keV Target spesso
12C(p,p)12C
ER = 4808 ± 10 keV
Target sottile

39. Dai parametri “nominali” ai
parametri “effettivi”
E = eqT + eTsorg Single-ended
E = e(1+q)T + eTsorg Tandem