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• Gli acceleratori di particelle sono nati come
strumenti per la ricerca di base in Fisica
nucleare e sub-nucleare, mirando nel tempo a
energie di collisione sempre più elevate.
• Si sono sviluppati concetti sempre nuovi e
innovativi di acceleratori, utilizzando principi
diversissimi (acceleratori elettrostatici, a
induzione, lineari, circolari) o impiegando
tecnologie di frontiera (superconduttività).
• Oggi l’impiego degli acceleratori copre altri
settori della fisica, biologia e medicina: – Adroterapia (medicina)
– Produzione di radioisotopi (medicina, biologia)
– Luce di sincrotrone (biologia, studio dei materiali)
– Impiantazione ionica (semiconduttori)
– Sterilizzazione (processi industriali)
• Anche la superconduttività trova impieghi
diversi: – Risonanze Magnetiche Nucleari (medicina, biologia)
– Linee elettriche di potenza (industria e civile)
– Motori elettrici ad alto rendimento (industria)
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Acceleratori nel mondo (stima)
Impiantatori di ioni 7000
Acceleratori nell’industria 1500
Acceleratori ricerche non nucleari 1000
Radioterapia 5000
Produzione radioisotopi medicali 200
Radioterapia adronica 20
Radiazione sincrotrone 70
Ricerca nucleare e subnucleare 110
Totale 15000
Acceleratori
elettrostatici
Cockcroft - Walton 1930
Van de Graaff 1935
Tandem 1960
Acceleratori
circolari
Ciclotrone 1930
Microtrone 1945
Sincrociclotrone 1946
Sincrotrone 1953
Ciclotrone AVF 1963
Acceleratori
lineari
Wideröe Linac 1928
Alvarez Linac 1946
Electron Linac 1947
RFQ 1970
Acceleratori ad
induzione
Betatrone 1940
Induction Linac 1953
Tipi di acceleratori
Gli acceleratori di particelle
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Acceleratori in Italia
• LNF (Frascati) – Fisica delle particelle - storage ring e+e-
• LNL (Legnaro) – Fisica Nucleare – Tandem+ linac
superconduttivo
• LNS (Catania) – Fisica Nucleare- Tandem +ciclotrone
superconduttore
• Elettra (Trieste)- Struttura della materia (luce di sincrotrone)
–storage ring elettroni
• CNAO (Pavia) – Adroterapia- sincrotrone protoni e carbonio
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Superconduttività:
Consente prestazioni migliori per
– Magneti per acceleratori e rivelatori DC ( campi sino a 15 T )
– Cavità RF ( campi acceleranti sino a 40 MV/m)
con un risparmio sui costi (costruzione + esercizio) ma complessità
di progettazione e criogenia (elio liquido o superfluido)
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Densità di corrente critica a 4.2 K
Cri
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-2
10
102
103
104
Magnetic field (Tesla)
Nb3S
n
NbTi
Conventional
iron yoke
electromagnets
Le potenzialità e i
vantaggi della
superconduttività sono
enormemente maggiori
rispetto ai tradizionali
elettromagneti in rame
con poli magnetici in
ferro
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L’indirizzo di Acceleratori e Superconduttività Applicata della Laurea
in Fisica è teso allo sviluppo di nuovi acceleratori di particelle.
Nel Dipartimento di Fisica storica tradizione nel campo degli
acceleratori al laboratorio LASA (Laboratorio Acceleratori e
Superconduttività Applicata). Ciclotrone superconduttore del LNS
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Linee di ricerca attive al LASA
Tesi (triennali-magistrali e dottorato) disponibili al LASA
anche in collaborazione con laboratori esteri sui temi di
ricerca di punta
Laureati ben apprezzati nei laboratori di ricerca italiani ed
esteri (europei ed americani) e nell’industria
Dipartimento di Fisica
INFN Sezione di Milano
Laboratorio LASA
Segrate (MI)
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1. Magneti Superconduttivi per acceleratori e rivelatori
Linee principali di ricerca attuali:
• HiLumi-LHC (upgrade della zona di interazione dei fasci - 2020): sviluppo e costruzione
dei magneti correttori di qualità del campo (4-polo, 6-polo, 8-polo, 10-polo e 12-polo)
• Future Circular Collider da 100 TeV (FCC program, collider da 100 km di circonferenza
- 2035): sviluppo dei dipoli principali ad alto campo (16 T).
10-pole cross section 4-pole 3D studies 8-pole assembly at LASA
Prof. M Sorbi
Prof. G. Bellomo
Dott. V. Marinozzi
LHC
FCC
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2. Acceleratori superconduttivi lineari per elettroni e protoni
Linee principali di ricerca attuali:
• XFEL (Free Electron Laser nella regione dei raggi X elettroni a 30 GeV per generare
radiazione X al alta intensità sino a 1 Å (10-10 m).
• European Spallation Source (realizzazione di accelerazioni lineari di protoni ad alta intensità
da 1 GeV per la produzione di neutroni mediante bombardamento)
• EUROTRANS (realizzazione di prototipi di acceleratori superconduttivi per protoni per il
trattamento delle scorie radioattive)
• ILC (International Linear Collider elettrone-positrone)
Schema del FEL (FLASH-Desy)
cavità RF s.c. (700MHz) per protoni
cavità RF superconduttive ( 1.3GHz)
Riferimenti:
Prof. Pagani
Dott. Sertore (INFN)
Dott.Michelato (INFN)
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3. Acceleratori a plasma con utilizzo laser di potenza:
Riferimenti:
Dott. Giove (INFN)
Dott. Serafini (INFN) Dott. Bacci (INFN)
Dott. Andrea Rossi (INFN) Dott.ssa Petrillo (Unimi)
Principio base emissione da laser
Applicazioni alla terapia medica
Motivazione acceleratori a plasma
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• L’indirizzo di Fisica degli Acceleratori prevede una sistematica
descrizione dei principi di funzionamento e dei vari tipi di
acceleratori (corso Fisica Acceleratori I)
• Particolare enfasi sulla superconduttività che è oggi dominante
negli acceleratori ultima generazione (LHC-CERN, XFEL-DESY)
(corso Superconduttività Applicata e Laboratorio di
Superconduttività Applicata )
• Tecniche di accelerazione e diagnostica (Laboratorio Acceleratori)
• Diversi orientamenti possibili (dinamica dei fasci; tecnologie
superconduttive, del vuoto e criogeniche; tecniche di accelerazione;
progettazione di componenti speciali; sorgenti di elettroni)
Organizzazione del percorso nella Laurea Magistrale
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I ANNO
PRIMO SEMESTRE TIPOLOGIA SECONDO SEMESTRE TIPOLOGIA
Elettrodinamica Classica (obbligatorio) A Fisica degli Acceleratori I A
Metodi Matematici della Fisica:
equazioni differenziali 1
(o altro corso di ambito disciplinare B)
B Superconduttività Applicata A
-Lab. di Fisica degli Acceleratori
(in anni solari dispari)
-Lab. di Superconduttività Applicata
(in anni solari pari)
C Corso a scelta tra affini e
integrativi
AFF
Elementi di Fisica dei Continui
(o altro corso di ambito disciplinare D)
D Corso a scelta tra affini e
integrativi
AFF
Corso a scelta libera, suggerendo tra:
-Fisica Nucleare
-Fisica delle Particelle
-Interazione e rivelazione della
radiazione nucleare
Corso a scelta libera
TOTALE CFU 30 TOTALE CFU 30
Abbreviazioni:
(A) Caratterizzante – Ambito “Sperimentale applicativo”
(B) Caratterizzante – Ambito “Teorico e dei Fondamenti della Fisica”
(C) Caratterizzante – Ambito “Microfisico e della Struttura della Materia”
(D) Caratterizzante – Ambito “Astrofisico, Geofisico e Spaziale”
(AFF) Corsi Affini e integrativi
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II ANNO
Tabella AFF – Corsi affini o integrativi a scelta proposti
Fondamenti di energetica Elettronica 1
Fisica dei solidi 1 Elettronica dei sistemi digitali
Laboratorio di fisica dei laser 1 Elettronica 2
Radioattività Laboratorio di elettronica analogica
Fenomenologia del Modello Standard delle part. Elem. Fisica dei dispositivi elettronici
Fisica nucleare Laboratorio di fisica delle particelle
Fisica sanitaria Lab. di fisica dei plasmi
Rivelatori e tecniche fisica nucleare Fisica dei plasmi e della fusione controllata
PRIMO SEMESTRE TIPOLOGIA SECONDO SEMESTRE TIPOLOGIA
-Lab. di Fisica degli Acceleratori
(in anni solari dispari)
-Lab. di Superconduttività Applicata
(in anni solari pari)
C Tesi di Laurea 42 CFU
Corso a scelta tra affini e integrativi AFF Preparazione Tesi 3 CFU
Abilità informatiche e
telematiche
3 CFU
TOTALE CFU 12 TOTALE CFU 48
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Temi principali nei corsi caratterizzanti:
Fisica degli acceleratori (Prof. Bellomo)
– Descrizione generali degli acceleratori (elettrostatici, a induzione, circolari, lineari)
– Elementi di accelerazione e focalizzazione dei fasci di particelle
– Matrici di trasferimento
– Colliders e luminosità.
Superconduttività Applicata (Prof. Sorbi) – Elementi di termodinamica applicata alla produzione del freddo e alla liquefazione dei gas
– Fenomenologia della superconduttività e sua descrizione con strumenti della termodinamica
– Instabilità e dissipazioni dei superconduttori
– Applicazioni della superconduttività ai magneti per acceleratori circolari
Laboratorio di Fisica degli Acceleratori (Dr. Bosotti - INFN)
– Misure delle caratteristiche di cavità elettromagnetiche risonanti per acceleratori
– Tecniche diagnostiche dei fasci
Laboratorio di Superconduttività Applicata (Personale INFN) – Utilizzo di apparati a bassissime temperature e ad alto vuoto
– Misure criogeniche di proprietà caratterizzanti materiali superconduttivi
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Sbocchi professionali post-laurea
1. Per chi desiderasse rimanere nell’ambito della ricerca:
- Dottorati sui temi di ricerca per lo studio di nuovi acceleratori
- PhD presso i laboratori di ricerca internazionali - CERN,
DESY, FERMILAB (USA), Bercley (USA), CEA (Parigi)
2. Ottima collocazione nell’industria o nei servizi, dove
viene apprezzato il lavoro di alto livello scientifico,
tecnico e di coordinazione svolto durante la tesi.