Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive

E.Migneco, Giornate di studio sul Piano Triennale 2006-2008, Frascati 10 giugno 2005

E. MignecoGiornate di studio sul Piano Triennale 2006-2008

Frascati, 10 giugno 2005


• Utilizzo della facility per Ioni Pesanti (Tandem,

Ciclotrone Superconduttore e apparati sperimentali)

• Utilizzo della facility CATANA (completata nel 2002) a

scopo clinico

• Completamento della nuova sala misure (2005)

• Completamento di EXCYT e MAGNEX (2005)

• NEMO fase 1 (R&D per un telescopio per neutrini da 1

km3)

PRINCIPALI OBIETTIVI 2003-2005


ATTIVITA’ CON GLI ACCELERATORI 2003-2005

Dal 2003 al 2005 il funzionamento degli acceleratori ha lasciato ampi spazi allo sviluppo del progetto EXCYT. E’ stato quindi possibile portare a compimento, tra la fine del 2004 e l’inizio del 2005, la fase di montaggio dell’intera facility, così da iniziare i test di commissioning

Tuttavia, l’attività sperimentale è proseguita regolarmente, grazie al buon livello di affidabilità raggiunto, e tutti gli esperimenti approvati dal PAC sono stati effettuati

Una consistente percentuale (circa il 20%) del tempo macchina totale viene dedicata all’attività di protonterapia (Catana). E’ stato così possibile trattare finora 79 pazienti affetti da melanoma della regione oculare


2001 10 mesi

2002 8 mesi

2003 8.5 mesi

2004 5 mesi

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2001 2002 2003 2004

Hours

Delivered

Setting

Failures

2001-2004 Statistiche sui fasci

Dati scalati su 8 mesi

0500

10001500200025003000

2001 2002 2003 2004

Hours

DeliveredSettingFailures

Dati scalati su 8 mesi

Delivered Setting Failures

2001 2569 1424 975

2002 2485 1161 597

2003 2679 1204 587

2004 1529 944 187

Delivered Setting Failures

2001 1085 200 70

2002 2075 222 82

2003 2288 417 16

2004 1574 373 21


AX E (MeV/a.m.u.)H2

+ 62H3

+ 452D+ 35,624He 25He-H 217Li 5012C 23,6212C 8013C 4514N 6216O 25,6218O 1519F 35,40,5020Ne 21,40,45,6232S 19.535Cl 19.536Ar 1640Ar 15,4040Ca 10,25,4058Ni 16,23,25,30,35,40,4562Ni 25,3586Kr 15,21,2593Nb 15,17,23,30,38112Sn 15.5,35,43.5116Sn 23,30,38120Sn 40124Sn 15,25,30,35197Au 10,15,20,21,23

12C 80 MeV/a.m.u. sviluppato nel 2004

Fasci sviluppati

Fasci 2003-2004

Deflettore elettr.

Limite di bending &ECR

Tipi di fasci sviluppati al Ciclotrone

112Sn 43.5 MeV/a.m.u. sviluppato nel 2004

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Mass (a.m.u.)

En

erg

y (

Me

V/a

.m.u

.)


MAGNEX

NUOVA CAMERA DI SCATTERING

NUOVA SALA CATANA

La nuova sala sperimentale, che comprende 3 nuovi punti misura, è stata completata. I test di commissioning delle sale CATANA e MAGNEX sono stati eseguiti.

PRIMO PAZIENTE TRATTATO NELLA NUOVA SALA (Aprile 2005)

PRIMO FASCIO INVIATO (Aprile 2005)


Esperimenti Ore Fascio

2003 8 1068

2004 4 893

2005 3536

assegnate

• Accoppiamento con rivelatori di neutroni e gamma• Estensione delle misure dei rapporti isotopici a valori di Z>10• Misure di correlazione ad alta risoluzione di impulso• Gruppo di lavoro per misure con EXCYT

CHIMERA


ASTROFISICA NUCLEARE =ASFINReazioni nucleari in ambiente stellare e primordiale,in particolare quelle rilevanti per lo studio

Metodo delMetodo del TROJAN HORSETROJAN HORSE basatobasato sull’uso sull’uso didi reazionreazionii quasi-quasi- liberliberee

delle Abbondanze di Litio, Berillio e Boro della Nucleosintesi stellare e primordiale dei Cicli (hot-)CNOb

a

s

c

d

x = b

x

s

Reazione a tre corpi Decadimento virtuale

Reazione virtuale(processo

astrofisico)

x

a

c

d

Collaborazioni: RIKEN (Giappone), Texas A&M (USA), Univ.Sao Paulo (Brasile), RUB-TUM-FZJ (Germania), Rudjer Boskovitc Institute (Croazia), …


MAGNEX 28.07.2004

The Focal Plane Detector

The FPD, realized in collaboration with GANIL,

is ready and mounted on the apparatus.

The start detector

PSD based on microchannel plate

technology

Main elements

Position sensitive start detector; vertically focusing quadrupole; bending magnet; focal plane detector measuring ion direction,

energy, charge and mass.

MAGNEX


MAGNEX STATUS

November 2004: successful excitation of the magnets at full power

End of 2004: all components ready except the scattering chamber

April 2005: test of MAGNEX with a 16O 80 MeV beam

July 2005: commissioning with Tandem beams

Some physics items

Spectroscopy of weakly bound nuclei via reactions induced by EXCYT beams;

Charge exchange near the neutron dripline at Tandem and Cyclotron energies;

Nuclear astrophysics with stable and radioactive beams;

-delayed spectroscopy via EXCYT beams

E < 30 MeV/amu

2 < A < 40

E < 25 MeV/amu

40 < A < 93

Upper limits

Main parameters of MAGNEX

Maximum magnetic rigidity 1.8 Tm

Solid angle 51 msr

Momentum acceptance 10 %

max 90% acceptance

Momentum resolution 1 / 5400 1 / 2000

Mass resolution 1 / 300 1 / 200

MAGNEX


INFN LNS (coord.) & LNL

GSI - GANIL - CERN - JYFL - KVI TSL - LPSC - HMI -NIPNE

Prototipo di sorgente superconduttiva di nuova generazione, per la produzione di fasci di ioni molto intensi (~mA) con stati di carica medi (>20+) e di fasci di ioni di media intensità (~µA) con altissimo stato di carica (>50+)

SERSE MS-ECRISMicrowave 18 GHz 28 GHzAxial field max 2.7 T 4.5 TRadial field max 1.5 T 3.0 TAr 12+ 180 µA 1 mAXe 20+ 150 µA 1 mAPb 27+ 100 µA 1 mAAu 50+ 0 1µA

Joint Research Activity approvato dalla UE nel FP6, 2005-2008

Indispensabile per i grandi progetti di acceleratori in Europa

JRA-07 Ion Sources for Intense Beams of Heavy Ions (ISIBHI)

I3 EURONS


La facility di protonterapia CATANA nella sua posizione definitiva nella nuova sala misure: in operazione da aprile 2005.


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Nu

mb

er

of

pa

tie

nts

0-25 25-50 50-75 75-100Patients' age

31

8

5

10

10

4

2

5

2

1

1Numero totale di pazienti

trattati fino ad ora: 79

Età Media: 57.6 anni

Provenienza dei Pazienti

58%

42%

Women

Men

42% 58%

Uomini-Donne


Stato e prospettive future

La collaborazione CATANA partecipa al progetto MAESTRO (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radio Oncology), finanziato da EC nell’ambito del 6° P.Q.I LNS e la sezione di Torino guidano la sessione di protonterapia

Il 7 Marzo 2003 la Regione Sicilia ha approvato un accordo di programma che prevede la realizzazione di un centro di protonterapia a Catania

E’ stato studiato un nuovo Ciclotrone Superconduttore per terapia capace di accelerare protoni e ioni leggeri fino a 250 AMeV. Le industrie europea e italiana hanno mostrato interesse verso la realizzazione di questa macchina in collaborazione con l’INFN


Max. Energy for Proton, 6Li, C

Sectors

Rpole

Bo

Bmax

Kbending

Kfoc

Gap cresta

Gap Valle

Frequenza RF

Diametro

Peso

250 AMeV

4

132 cm

3.1 T

4.09 T

1000

500

50 mm

105 cm

92.3 MHz

4900 mm

300 tons

SCENT

a Superconducting Cyclotron

for Medical Applications


Schema della facility EXCYT

Energia del fascio facilmente variabile

Basso energy spread: E/E = 10-4.

Energie ottenibili: 2.5 ÷ 150 MeV (possibilità di utilizzo della sola energia di preaccelerazione fino a 300 keV)

Bassa emittanza : beam spot ben definito e basso spread angolare.


Linea di fascio primario


Separatore isobarico di massa

(())PrePre 180 180 (preseparatore: magnete a 18° magnet e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici) (preseparatore: magnete a 18° magnet e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici)

(())1st1st 2000 2000 (I stadio: due magneti (77° e 90°) e 2 quadrupletti di quadrupoli elettrostatici) (I stadio: due magneti (77° e 90°) e 2 quadrupletti di quadrupoli elettrostatici)

(())2nd2nd 20000 20000 (II stadio: due magneti (90°, (II stadio: due magneti (90°, =2.6 m) e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici)=2.6 m) e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici)

Segm ented M etal P late

Faraday C up

Low Energy Beam Identifie r

exit s litpreseparator

entrance slit1 stage s t

In term ediateslit 1 stage s t

entrance slit

In term ediate slit

2 stage nd

2 stage nd

exit s lit1 stage s t

exit s lit

2 stage nd

CE C

HQ 2

HH2

HH1

HQ 1

Q uartz

LEB I LEB I

LEB I

LEB ILEB I

LEB I

LEB I

LEB I

q ua d rup o leste e re rm u ltip o le shie ld ing wa ll

surfa c e c o ilsa c c e le ra to r c o lum n


Target-Ion SourcePrimary Beam

Radioactive Beam (1+ or 1-)Target heater

Graphite Target

Ion source

Target holder


Commissioning con fascio stabile

7Li+ beam

Oven

Positive Ion source

7Li+ generato localmente nel TIS, opportunamente modificato, e trasportato sulle due piattaforme con elevata efficienza (87%).


Faraday C up





entrance slit

In term ediate slit

2 stage nd

2 stage nd


exit s lit

2 stage nd

CE C

HQ2

HH2

HH1

HQ1

Q uartz

LEB I LEB I

LEB I

LEB ILEB I

LEB I

LEB I

LEB I




Primo fascio EXCYT 8Li+

Fascio utilizzato: 13C4+ 45MeV/amu

Target: Grafite (12C)

Corrente focalizzata su target: 120 nA (18 W)

7103 pps di 8Li+ rivelato su LEBI 3.

Fascio di 8Li+ trasportato nel preseparatore e nel primo stadio del separatore isobarico di massa.


Faraday C up





entrance slit

In term ediate slit

2 stage nd

2 stage nd


exit s lit

2 stage nd

CE C

HQ2

HH2

HH1

HQ1

Q uartz

LEB I LEB I

LEB I

LEB ILEB I

LEB I

LEB I

LEB I



0

2000

4000

6000

8000

10000

1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197

Time [s]

cou

nts

per

sec

on

d

Fondo dovuto alfascio primario

Riscaldatore 2100 °C

Riscaldatore 2000 °C

F. Chines, L. Celona, M. Re, P. Reina, F.Tudisco, V. Scuderi, E. Messina, A. Pappalardo


Completamento del commissioning con fascio stabile (secondo stadio del separatore isobarico e linea di accoppiamento al Tandem)

Test di produzione di 8Li+

Primo esperimento previsto in Ottobre-Novembre 2005

Nel 2006 è previsto il completamento del programma sperimentale già approvato dal PAC con i fasci di 8Li e 9Li (960 ore totali per 4 esperimenti: BIGBANG, RCS, RSM, MAGNEX-RIB).

EXCYT: stato e prospettive


Iniezione radiale da Tandem

Iniezione assiale da ECR

Upgrading deflettori elettrostatici

500 watt: obiettivo EXCYT

Limiti e prospettive di Excyt

1

10

100

1000

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

P (watt)

Limiti sull’intensità del fascio primario


SCEN(T)Superconducting Cyclotron for

Exotic Nuclei (and Therapy)

Ioni accelerati

Q/A

Max. Energy

Max Power

Extraction

Sectors

Rpole

Bo

Bmax

Hill gap

Valley height

RF frequency

Diametro

Peso

6Li2+ , 9Be3+ 12C4+, 18O6+

21Ne7+, 24Mg8+ 27Al9+ , 30Si10+

0.333

120 AMeV

20 kW

By stripper

4

132 cm

3.4 T

3.8 T

40 mm

105 cm

67 MHz

4900 mm

300 tons

Parametri principaliProspettive di Excyt


MAGNEX

CATANA

SCEN


La Collaborazione NEMO

INFNBari, Bologna, Catania, Genova, LNF, LNS, Napoli, Pisa, RomaUniversitàBari, Bologna, Catania, Genova, Napoli, Pisa, Roma “La Sapienza”

CNRIstituto di Oceanografia Fisica, La SpeziaIstituto di Biologia del Mare, VeneziaIstituto Sperimentale Talassografico, Messina

Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)

Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS)

Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione (ISCTI)

Più di 60 ricercatori dell’INFN e dei principali enti di ricerca italiani coinvolti


Telescopi per neutrini di alta energia:motivazioni scientifiche

Sorgenti astrofisiche di neutrini di alta energiaGalattiche (Supernova Remnants, MicroQuasars, interazione di raggi cosmici con il mezzo interstellare)Extragalattici (Active Galactic Nuclei, Gamma Ray Bursts)Sorgenti sconosciute

Origine dei raggi cosmici di energia estremaRicerca indiretta di materia oscuraAttività interdisciplinari

Le stime sui flussi di neutrini di alta energia impongono rivelatori con dimensioni dell’ordine di 1 km3La soluzione tecnica percorribile è quella di un rivelatore Cherenkov in un mezzo naturale trasparente (acqua o ghiaccio)


Telescopi per neutrini di alta energia:il contesto internazionale

BAIKALBAIKAL, , AMANDAAMANDA: in presa dati: in presa dati

NESTOR, ANTARES, NEMO R&D: in fase di realizzazioneNESTOR, ANTARES, NEMO R&D: in fase di realizzazione

ICECUBE: in costruzione, completamento 2010ICECUBE: in costruzione, completamento 2010

KM3 nel Mediterraneo ?KM3 nel Mediterraneo ?

AMANDAICECUBE

Mediterraneankm3

BAIKALPylos

La Seyne

Capo Passero


Il percorso verso il km3 nel Mediterraneo

Scelta del sito abissaleAttività di ricerca e caratterizzazione di un sito con caratteristiche ottimali (profondità, proprietà ottiche dell’acqua, …) per l’installazione del telescopio

Prova della fattibilità tecnica del rivelatoreStudio di fattibilità che analizza tutti gli aspetti di realizzazione ed installazione del telescopio e le stime economiche

Validazione delle tecnologie per il km3Attività di R&D avanzato e prototipazione delle soluzioni tecniche proposte


Il sito abissale di Capo Passero

• Profondità di oltre 3500 m sono raggiunte a distanze inferiori a 100 km dalla costa

• Le proprietà ottiche dell’acqua sono le migliori riscontrate nei siti investigati

• Il rumore di fondo ottico dovuto alla presenza di organismi bioluminescenti è estremamente ridotto

• Le correnti sottomarine sono di debole intensità e stabili nel tempo

• Vasta piana abissale, lontana da scarpate, che consente possibili riconfigurazioni del rivelatore

Dopo sei anni di attività di ricerca e caratterizzazione la collaborazione NEMO ha individuato un sito abissale al largo di Capo Passero con caratteristiche oceanografiche e ambientali ottimali

Il sito è stato presentato ad ApPEC nel gennaio 2003 come candidato italiano per l’installazione del telescopio km3


Proprietà ottiche dell’acqua

Le proprietà di trasparenza dell’acqua sono state misurate a Tolone e Capo Passero in alcune campagne congiunte NEMO-ANTARES utilizzando gli strumenti messi a punto dalle due collaborazioni

Confronto tra i siti di Tolone e Capo Passero

Le lunghezze di assorbimento misurate a Capo Passero sono compatibili con i valori dell’acqua salata pura

Nella regione del blu si osserva una sostanziale differenza tra i due siti

I valori misurati con i due strumenti (l’AC9 di NEMO ed il Test 3’ di Antares) sono compatibili


Background ottico a Capo PasseroMisure effettuate in collaborazione con

ANTARES

Dead time:

Fraction of time with Rate > 200 kHz

PMT: 10”

Thres: ~.5 SPE

Winter 2003 data

March 2002 data

Noise at 0.3 s.p.e.28.5 2.5 kHz

23/11/03 - 17/12/03Noise at 0.25 s.p.e.

28.4 kHz

I valore misurato di circa 30 kHz è compatibile con il fondo da solo 40K


Studio di fattibilità per il km3

main EO cablemain Junction Box

secondary JB

“tower”

Architettura del rivelatore

Ridurre il numero delle strutture per limitare il numero di connessioni e consentire le operazioni per mezzo di un ROV

Modularità

“Torri” con distribuzione non omogenea dei sensori


Sensibilità del telescopio km3

1 10 TeV10 100 TeV100 1000 TeV

Preliminary results for the NEMO sensitivity to a E-2 neutrino

spectrum from a point-like source.

Search bin:NEMO 0.3˚IceCube 1˚

NEMO angular resolution

NEMO 81 towers - 5832 PMTsIceCube 80 strings - 4800 PMTs


Confronto tra diverse geometrie del km3

Black line nemo_140_40 Red square nemo_300_60Black points nemo_300_40

5832 PMT – 81 towers –18 floors - 20 m bar length – down horizontal PMT

Detector name Tower distance (m) Floor distance (m) Dimension (km)

Nemo140_40 140 40 1.14x1.14x0.68 = 0.88 km3

NEMO_300_60 300 60 2.42x2.42x1.02 = 5.97 km3

NEMO_300_40 300 40 2.42x2.42x0.68 = 3.98 km3

Background 20 kHz - No quality cuts


Il progetto NEMO Fase-1

Cavo a doppia armatura2.330 m

Cavo a singola armatura20.595 m

Diramazione nordDiramazione nord5.220 m5.220 m

Diramazione sudDiramazione sud5.000 m5.000 m

BU

NEMO Fase1

SN-1Stazione di terraStazione di terra

I Laboratori Nazionali del Sud hanno realizzato un’infrastruttura sottomarina a Catania per il test dei prototipi del telescopio km3 e per l’installazione di un osservatorio sismico e ambientale dell’INGV

• Realizzazione di un sottosistema del km3 comprendente gli elementi critici del rivelatore

• Infrastrutture a terra e a 2000 m già realizzate

• Progetto completamente finanziato dall’INFN e dal MIUR

• Completamento previsto ad inizio 2006 con il deployment di junction box e di una minitorre di 4 piani


Operazioni gennaio 2005

Installazione dei telai con connettori EO

Installazione e connessione di una stazione di rilevamento acustico e della stazione SN-1 dell’INGV

Sistema funzionante e in presa dati da gennaio 2005


Strutture meccaniche

Le strutture meccaniche per il km3 sono state studiate in modo da ottimizzare le prestazioni del rivelatore

Struttura modulare formata da piani interconnessi da cavi

Piani realizzati con tralicci della lunghezza di 15 metri

Una vola aperta una “torre” di 16 piani avrà un’altezza complessiva di circa 750 metri

Sensori Ottici

Contenitore per l’elettronica


Le Junction Boxes

Contenitore esterno

Contenitore esterno

Contenitori a pressione per l’elettronica

Contenitori a pressione per l’elettronica

Connessioni elettro-ottiche

Connessioni elettro-ottiche


Il progetto NEMO Fase 2

Realizzazione di una stazione a 3500 m sul sito di Capo Passero OBIETTIVI

- Realizzazione di una infrastruttura sottomarina a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero

- Test delle procedure di installazione a 3500 m- Installazione di una torre di 16 piani

- Monitoraggio a lungo termine del sito

INFRASTRUTTURA PROPOSTA- Stazione di terra a Portopalo di Capo Passero per

alloggiare il sistema di potenza e l’acquisizione dati e attrezzata per l’integrazione di strutture

- Cavo elettro-ottico di 100 km- Infrastrutture sottomarine

STATO- Procedure per l’acquisto di un cavo elettro-ottico

(circa 40 kW) in corso- Acquistato un edificio, sulla banchina del porto di

Portopalo, da ristrutturare per l’utilizzo come stazione di terra

- Realizzazione prevista entro il 2007


NEMO: stato e prospettive

Scelta del sito abissaleIl sito di Capo Passero individuato dalla collaborazione NEMO presenta caratteristiche ottimali per l’installazione del km3

Prova della fattibilità tecnica del rivelatoreVerificata con uno studio completo di fattibilità effettuato in collaborazione con alcune delle principali imprese operanti nel settore marino

Validazione delle tecnologie per il km3Completamento nel 2006 del progetto Fase-1 e nel 2007 del progetto Fase-2

Sviluppi futuriDesign Study KM3NeT approvato dalla EUCostruzione del rivelatore …


• Esperimenti con fasci stabili agli apparati sperimentali e MAGNEX

• Esperimenti con fasci instabili

• Trattamenti di protonterapia con CATANA e partecipazione alla realizzazione di nuove facilities di adroterapia in Italia

• Sviluppo del programma R&D per la costruzione di un telescopio da 1 km3 per neutrini di alta energia nel mar Mediterraneo (Fase 1, Fase 2, KM3NeT)

PIANI DI ATTIVITA’ A BREVE TERMINE

PROSPETTIVE A LUNGO TERMINE

• NEMO - Telescopio per neutrini di alta energia (Km3)

• EXCYT 2 - Upgrading della facility per fasci radioattivi

Documents

Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive