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Dipartimento di Fisicaa.a. 2004/2005
Fisica Medica 2
Acceleratori di particelle
21/3/2005
Spettrometro di massaMisura la massa di particelle, atomi e molecoleottenuta mediante annerimento di una lastra fotograficaMisura mediante registrazione intensità della corrente: spettrometro di massaUna corrente ionizza atomi del materiale (C)
vengono quindi accelerati da - V = VP - VCed immessi in una zona con campo B costante
Funzionamento
½ m v2 = e VF = q v B = e v B
F = m v2 / R
KP = KC + e (VC – VP) = e V
K = energia cineticam = e B2 R2 / 2 V
massa è funzione di B, V ed R (orbita dello ione)a B e V fissati RC = 10 cm, RX =11.56 cm ?
mX / mC = RX2 / RC
2 = (11.56)2 / 100 = 1.33mX = 1.33 mC mX = 1.33 • 12 = 16 uma Ossigeno!
UtilizzoBastano pochi ioni per impressionare la lastra fotografica
Si possono così distinguere le singole componenti di un determinato campione
Si sostituisce la lastra fotografica con un collettore di ioni amplificatoVariando B o V si ottiene, ad R fisso, una corrente variabile
campioni di droghe in urina di un paziente in coma
Potere risolutivo ∆m / m = 10-5 - 10-6
Acceleratori di particelleGli acceleratori di particelle possono essere lineari o circolari
Tubi di raggi X (Coolidge) 40-400 KVIn applicazione clinica:
Raggi X ad alta energia (acceleratore lineare o betatrone) 4-40 MVFasci e– (acceleratore lineare o betatrone) 6-50 MVFasci p (ciclotroni) 60-250 MV
Fasci n (ciclotroni) 60-250 MVFasci ioni (sincrotroni) 60-250 MV
Acceleratori elettrostaticiVan de GraafNastro isolante che scorre tra due puleggietrascinate da un motorePer attrito vengono formate coppie ione-elettrone
+
+
++
+
+++
+
++ ++
+
++
++
+ +++
fascio particelle
trasporto di caricaed accumulo in una sfera metallica isolata
sorgente
Cariche estratte: sorgente che produce un fascio fino a una decina di MV Tandem LNL 15 MV
Acceleratori lineari
particelle
tubo di drift
Nel LINAC (LINear ACcelerator) le particelle sono accelerate da un insieme di diaframmi ad iride posti a potenziale crescentesempre più spaziati
ovvero accelerate da una sequenza di elettrodi collegati
ad un generatore RF in fase
Linac
Accelerazione ottenuta con cavità a radiofrequenza
fascio tende a defocalizzarsi
CollimatoriLa collimazione viene ottenuta tramite lenti
magnetiche
sestupoli
quadrupoli
Ma occorrono ampi spazi (US!)
SLAC
Stanford LinearAccelerator Centre
Collaborazioni internazionali con coinvolgimento genovese: BaBar
Ciclotrone
tra le D vi è una d.d.p. (105 V) alternata, in fase
Semicilindri cavi “a forma di D” posti sotto vuoto ed immersi in un campo magnetico costante
R = m v / q B
La pulsazione è ω = v / R = q B /mindipendente da R
aumento del raggio R dell’orbita!
BetatroneGli elettroni (particelle β) si muovono in un’orbita circolare di raggio R costante in un tubo a vuoto a forma di ciambellaposta tra le espansioni polari di un magneteLegge di Faraday-Neumann
V = –dΦ / dt = d/dt (Bm π R2)= 2 π R Eindotto
Eindotto = ½ R dBm/dtove Bm è il campo magnetico medio
Ciclo betatroneGli elettroni accelerando aumenterebbero il raggio dell’orbita
Iniezione con B = 0ma anche B varia!
migliaia di rivoluzioniestrazione a B massimo
Perdite di energiasotto forma di radiazione elettromagnetica dovuta all’accelerazione centripetaemissione di luce di sincrotrone come UV, X e γ
SincrotronePermette di raggiungere energie dell’ordine del GeV
- Iniettore acceleratore elettrostatico
- Tubo a vuoto
+ linac
- Stabilità orbita tramite magneti focalizzanti
- Accelerazione tramite cavità risonanti a RF
- Estrazione tramite un magnete supplementareProtosincrotroneElettrosincrotrone
Trasporto fasci
Ottenuto sempre con radiofrequenze, magneti e quadrupoli/sestupoli focalizzanti
sotto alto vuoto!
Linac in medicina
Utilizzati per produrre elementi radiaottivi per la Medicina Nucleare
PET - SPECT
Direttamente in radioterapia per la cura dei tumori
SPSAcceleratori in cascata: Van der Graff + LINAC
riuscirono a creare un collider protone antiprotone
Super Proton Syncrotron
Da acceleratore a targhetta fissa Rubbia e
Van der Meer
rilevando per la prima volta i bosoni W± e Z0
LEP ed LHCLarge Electron Positron collider 10 milioni Z0!
validità del modello standard!
Quattro aree sperimentali
OPALL3
ALEPHDELPHI
…ed ora protoni/antiprotoni al posto di e–/e+ con il Large Hadron Collider