Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012        Acceleratori e sorgenti                di ioniBibliografia es...
Schema di un tipico set-up
Acceleratore elettrostatico:configurazione “single-ended”
Tensione di terminale    “Meccanico”            “A stato solido”Van de Graaff, Pelletron    Cockroft-Walton
Cockroft-Waltonvoltage multiplier
Acceleratore elettrostatico: configurazione “Tandem”
Acceleratore elettrostatico: configurazione “Tandem”
Generating Voltmeter      (GVM)
Processo di “stripping”:distribuzione stati di carica
Processo di “stripping”                N2 gas        N2
Sorgente di ioni:      RF
Sorgente di ioni:Duoplasmatron
Sorgente Duoplasmatronper la produzione di He            Li Charge Exchange Cell
Sorgente di ioni:Cs-sputtering
Work function di una superficie  metallica coperta di Cs
Trasporto di un fascio:sorgente-acceleratore
Cosa è un “fascio” ?• Un insieme di particelle in moto, con velocità in una direzione molto maggiore della velocità nelle ...
Teorema di Liouville“Per un insieme di particelle non-interagenti che simuovono per effetto di forze adibatiche (sistemadi...
Forze che agiscono su          particelle caricheLe particelle cariche sono accelerate, deviate (steering) efocheggiate us...
Quadrupolo magnetico              0
“Einzel lens”
Simulazione del trasporto di un fascio di particelle
Misura dell’intensità di un   fascio di particelle
Soppressione degli    elettroni secondariElettrostatica    Magnetica-
Visualizzazione di un fascio di particelle
Beam Profile Monitor
Microscopia nucleare  Fascio di ioni                           Lentedall’acceleratore                                     ...
Microfasci ionici collimatiUtilizzo di un diaframma/apertura perdefinire il fascio (focalizzazione “bruta”)              ✓ ...
Slit scattering                        • Intorno al bordo delle slitte può                          esistere una zona “tra...
Microfasci ionici focheggiatiUtilizzo di un sistema di lenti per definire ilfascio (focalizzazione “forte”)✓ Forma uno spot...
“Calibrare in energia” un      acceleratore...... significa trovare la relazione tra ivalori “nominali” e i valori “reali” ...
Calibrazione in energia    di un acceleratore• Metodo delle risonanze in reazioni (x,γ), (x,x)...• Metodo dell’energia di ...
Metodo delle risonanzein reazioni (x,γ), (x,x)...            Y$,p (Yield o resa),            numero di raggi gamma        ...
Metodo dell’energia disoglia in reazioni (x,n)          Yn (Yield o resa),          numero di neutroni          rivelati p...
Energie di calibrazione (p)
Energie di calibrazione   ( 3,4He)
Dalle yield all’ “energia”Metodo delle risonanze:  Y$,p(T) " !Breit-Wigner(T - Tres)• Plot di Y$,p vs T• Fit per trovare T...
Misura di “resonance yield”27Al(p,#)28SiER = 991.90 ± 0.04 keV             Target spesso                           12C(p,p...
Dai parametri “nominali” ai   parametri “effettivi” E = eqT + eTsorg     Single-ended E = e(1+q)T + eTsorg Tandem
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Chiari: Lezione su acceleratori di particelle (2012)

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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)

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Chiari: Lezione su acceleratori di particelle (2012)

  1. 1. Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012 Acceleratori e sorgenti di ioniBibliografia 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. 2. Schema di un tipico set-up
  3. 3. Acceleratore elettrostatico:configurazione “single-ended”
  4. 4. Tensione di terminale “Meccanico” “A stato solido”Van de Graaff, Pelletron Cockroft-Walton
  5. 5. Cockroft-Waltonvoltage multiplier
  6. 6. Acceleratore elettrostatico: configurazione “Tandem”
  7. 7. Acceleratore elettrostatico: configurazione “Tandem”
  8. 8. Generating Voltmeter (GVM)
  9. 9. Processo di “stripping”:distribuzione stati di carica
  10. 10. Processo di “stripping” N2 gas N2
  11. 11. Sorgente di ioni: RF
  12. 12. Sorgente di ioni:Duoplasmatron
  13. 13. Sorgente Duoplasmatronper la produzione di He Li Charge Exchange Cell
  14. 14. Sorgente di ioni:Cs-sputtering
  15. 15. Work function di una superficie metallica coperta di Cs
  16. 16. Trasporto di un fascio:sorgente-acceleratore
  17. 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. 18. Teorema di Liouville“Per un insieme di particelle non-interagenti che simuovono per effetto di forze adibatiche (sistemadinamico conservativo) la densità di stati nellospazio delle fasi è costante”Il teorema di Liouville rappresenta una sorta di “principio diindeterminazione” 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. 19. Forze che agiscono su particelle caricheLe particelle cariche sono accelerate, deviate (steering) efocheggiate usando combinazioni di campi elettrostatici e magnetici B E v q q F = qE F = qv!BIn un campo elettrostatico In un campo magneticouniforme: 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. 20. Quadrupolo magnetico 0
  21. 21. “Einzel lens”
  22. 22. Simulazione del trasporto di un fascio di particelle
  23. 23. Misura dell’intensità di un fascio di particelle
  24. 24. Soppressione degli elettroni secondariElettrostatica Magnetica-
  25. 25. Visualizzazione di un fascio di particelle
  26. 26. Beam Profile Monitor
  27. 27. Microscopia nucleare Fascio di ioni Lentedall’acceleratore Campione Rivelatori Sistema di Immagine scansione nella memoria del computer
  28. 28. Microfasci ionici collimatiUtilizzo di un diaframma/apertura perdefinire 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. 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 fascioRapporto tra zona trasparente e apertura: 2"2 / Rd(R = raggio slitte, d = apertura slitte, " = range ioni) R = 6 mm Fascio diffuso/ fascio diretto
  30. 30. Microfasci ionici focheggiatiUtilizzo di un sistema di lenti per definire ilfascio (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. 31. “Calibrare in energia” un acceleratore...... significa trovare la relazione tra ivalori “nominali” e i valori “reali” deiparametri:• B (magnete di analisi) " E#• V (generating voltmeter) " E
  32. 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. 33. Metodo delle risonanzein 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. 34. Metodo dell’energia disoglia 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. 35. Energie di calibrazione (p)
  36. 36. Energie di calibrazione ( 3,4He)
  37. 37. Dalle yield all’ “energia”Metodo delle risonanze: Y$,p(T) " !Breit-Wigner(T - Tres)• Plot di Y$,p vs T• Fit per trovare TresMetodo dell’energia di soglia: Yn(T) " (T - Tthr)3/2• Plot di Yn2/3 vs T• Estrapolazione a Yn = 0 per trovare Tthr
  38. 38. Misura di “resonance yield”27Al(p,#)28SiER = 991.90 ± 0.04 keV Target spesso 12C(p,p)12C ER = 4808 ± 10 keV Target sottile
  39. 39. Dai parametri “nominali” ai parametri “effettivi” E = eqT + eTsorg Single-ended E = e(1+q)T + eTsorg Tandem

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