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

Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012

Schema di un tipico set-up

Acceleratore elettrostatico:configurazione “single-ended”

“Meccanico” “A stato solido”Van de Graaff, Pelletron

Tensione di terminale

Cockroft-Walton

Cockroft-Walton voltage multiplier

Acceleratore elettrostatico:configurazione “Tandem”

Acceleratore elettrostatico:configurazione “Tandem”

Generating Voltmeter (GVM)

Processo di “stripping”: distribuzione stati di carica

Processo di “stripping”

N2

N2 gas

Sorgente di ioni:RF

Sorgente di ioni:Duoplasmatron

Sorgente Duoplasmatron per 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 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)

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

x x

! !drift

La forma nello spazio delle fasi cambia, ma l’AREA RIMANE COSTANTE

Forze che agiscono su particelle cariche

Le particelle cariche sono accelerate, deviate (steering) e focheggiate usando combinazioni di campi elettrostatici e magnetici

E

In un campo elettrostatico uniforme:• particelle sono accelerate

(aumenta l’energia)• traiettorie sono linee rette• campo è prop. a E/q (indip.

massa)

In un campo magnetico uniforme:• energia delle particelle

costante (forza perpendicolare alla direzione)

• traiettorie sono circolar• campo è prop. a p/q

qF = qE q

F = qv!B

B v

Quadrupolo magnetico

0

“Einzel lens”

Simulazione del trasporto di un fascio di particelle

Misura dell’intensità di un fascio di particelle

Soppressione degli elettroni secondari

-

Elettrostatica Magnetica

Visualizzazione di un fascio di particelle

Beam Profile Monitor

Microscopia nucleare

Campione

Rivelatori

Sistema di scansione

Immaginenella memoriadel computer

Fascio di ioni

dall’acceleratoreLente

Microfasci ionici collimatiUtilizzo 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

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)

Fascio diffuso/ fascio direttoR = 6 mm

Microfasci ionici focheggiatiUtilizzo 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)

“Calibrare in energia” un acceleratore...

• B (magnete di analisi) " E#

• V (generating voltmeter) " E

... significa trovare la relazione tra i valori “nominali” e i valori “reali” dei parametri:

Calibrazione in energia di un acceleratore

• Metodo delle risonanze in reazioni (x,γ), (x,x)...

• Metodo dell’energia di soglia in reazioni (x,n)

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)

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

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 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

27Al(p,#)28SiER = 991.90 ± 0.04 keV

Misura di “resonance yield”

12C(p,p)12CER = 4808 ± 10 keV

Target spesso

Target sottile

E = e(1+q)T + eTsorg TandemE = eqT + eTsorg Single-ended

Dai parametri “nominali” ai parametri “effettivi”