1
Il sistema magnete-alimentatoredegli acceleratori Tandem, Alpi e Piave
M.F.Moisio – INFN Laboratori Nazionali di Legnaro6 maggio 2010
2
Cosa vogliamo ?• Trasportare un fascio di ioni in una determinata postazione sperimentale
Caratteristiche del fascio :– energia– intensità – dimensioni trasverse– rapporto carica/massa
Cosa dobbiamo fare ?
• Contenere il fascio entro determinate dimensioni in modo da limitarne le perdite durante il trasporto
• Trasportare il fascio alla postazione sperimentale con un percorso che raramente è rettilineo• “Far passare” solo la parte di fascio con l’energia desiderata• Misurare il valore di energia del fascio dopo l’accelerazione (vari metodi)
Cosa è un fascio di ioni?insieme di particelle cariche (carica dello stesso segno), ciascuna con moto prevalente in una certa direzione (hanno
subito un’accelerazione), ma posizioni, direzioni e velocità diverseIl fascio in un tratto libero (drift) diverge e prosegue in una traiettoria rettilinea lungo la direzione prevalente
Beam line
3
4
Come faccio a modificare la traiettoria di una (o più) particella carica?Posso utilizzare dei campi elettrici o dei campi magnetici.
Forza di Lorentz:
A) Usando solo campi elettrici
)()( BvqEqBvEqF
×+=×+=
EqF =La forza ha la stessa direzione del campo elettrico applicato ed ha intensità proporzionale a quella del campo elettrico applicato e alla carica della particella stessa.Una particella uguale subisce una deflessione tanto più piccola quanto maggiore è la sua velocità (energia)Più alte sono le energie, maggiori campi elettrici si devono usare: LIMITE !!!
tan α = q E L / ( m v02)
5
B) Usando solo un campo magnetico:
• Se il campo magnetico è unidirezionale:
– se B è parallelo a v: F = 0
– se B è perpendicolare a v: F = q v B
)( BvqF
×=
B
vF=q(vxB) L’accelerazione impressa è centripeta
la forza magnetica F è perpendicolare alla velocitàil lavoro della forza magnetica è nullo e quindi non modifica la energia cinetica della particella
cambia la direzione della velocità senza cambiarne il modulo
Moto circolare uniforme
F = m v2 / ρ = q v B
B ρ = m v /q rigidità magnetica della particella
ρ: raggio di curvaturaTandem, Alpi, Piave: (Bρ)max = 3,3 Tm
6
Come si produce un campo magnetico?“Una corrente elettrica produce un campo magnetico nello spazio che la circonda”
(Oersted 1820)
Se ho una corrente rettilinea molto lunga nel vuoto:
θπµ uB R) (2 / Ι = 0
Il campo magnetico è inversamente proporzionale alla distanza R e le linee di forza sono cerchi perpendicolari ad esso
µ0 :permeabilità magnetica del vuoto
Come faccio ad avere campi magnetici con determinate caratteristichein zone ben delimitate ?
“Creo” dei percorsi “preferenziali” per il flusso magnetico
Materiale ferromagnetico
Dipolo a C (1/2 sezione trasversale)
7
HHB r µµµ = = 0
H
Materiali ferromagnetici
Br : induzione residua:
Hr : forza coercitiva:
induzione magnetica [T] 1 T = 10000 Gauss
Campo magnetico [A/m]
Permeabilità magnetica assoluta (dipende dalla natura del mezzo in cui si trova il campo magnetico)[H/m]
µ0 :permeabilità magnetica del vuoto= 4 π 10-7 ~ 1,256 10-6 H/m
rµµµ = 0
ferro dolce C max 0,1 %Si < 0,1-0,5 % B max circa 2 T
funzionamento in corrente continua no lamierini
Magneti Tandem, Alpi e Piave:
8
Come faccio a “curvare” un fascio ?Devo usare un campo magnetico perpendicolare al moto della particella stessa
DIPOLI
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009
Elettromagneti normalconduttivi
t
Elettromagneti superconduttiviA magneti permanenti
DC
AC
Tandem-Alpi-Piave:solo magneti DC
48,48 (B ρ) 2 = mE / Q2 [MeV Amu ]prodotto del magnete
m : massa della particella [Amu]E : energia della particella [MeV]Q: stato di carica della particella [Amu]B: “campo magnetico” [T]
9
Amperspire totali (NI)tot = Bo g / µo (+ 10 -15 % per tener conto del ferro)
Ad H:
Ad O
A C
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009
Nucleo ferromagnetico
LNL: Ca max 0,1 %Si < 0,1-0,5 % B max circa 2 T
Cu
ID1: nucleo magnetico
α: angolo di deflessioneρ: raggio di curvatura
g : altezza traferro
10
Lungh magnetica ~ L meccanica nucleo ferromagnetico + g
- Profili Rogoswky o approssimati tali-Studi 3D - aggiustamenti in base alle misure-……..
Nella zona di campo buono: uniformità ∆B / Bo < 10-4 -Larghezza del polo-Posizione delle bobine-Tip……….
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets -Bruges, B, 16-25 June 2009
11
Direzione del fascio perpendicolare alle facce di ingresso e di uscita dei poli
Direzione del fascio perpendicolare alle facce di ingresso e di uscita dei poli
ε ε
90°
ε
12
Nei dipoli particelle con energie diverse vengono deviate su traiettorie distinte
I dipoli possono essere utilizzati come ANALIZZATORI DI ENERGIA
A.Dainelli – INFN LNL – Corso Acceleratori LNL – Legnaro 7-10 gennaio 2003
48,48 (B ρ) 2 = mE / Q2 [MeV Amu]
I dipoli possono essere utilizzati per la MISURA DI ENERGIA
13
STEERER
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009
Lenti dipolari a basso campo magnetico
Servono per effettuare piccole deviazioni (angoli) del fascio
Steerer verticale
Steerer orizzontale
Dipoli “speciali”
DIPOLO DI SWITCHING
dipolo con un ingresso e più uscite per distribuire il fascio in più canali. Variando il “campo magnetico” nel traferro, scegli il canale da utilizzare
14
Come faccio a focalizzare un fascio ?
QUADRUPOLI
Basic Magnet Design – Th.Zickler, CERNCAS –SPECIALIZED Course on Magnets - Bruges, B, 16-25 June 2009
Elettromagneti superconduttiviA magneti permanenti
Elettromagneti normalconduttivi
DC
AC
Tandem-Alpi-Piave:solo magneti DC
15
Amperspire per polo (NI)p = G R2/ ( 2 µo ) (+ 10 -15 % per tener conto del ferro)
G: gradiente di campo [T/m]
Lungh magnetica ~ 1,1 Lunghezza meccanica nucleo ferromagnetico (> 2R per problemi di effetti di bordo)
Espansioni polari non iperboliche distribuzione di campo non perfettaDifetti di costruzione (accettabile entro certi limiti)…….
y
Se il fascio esce dal foglio
La forza di richiamo è proporzionale allo scostamento dal centro ma opposta nei due piani.
-G xG y
16
A varie distanze dall’asse centrale le particelle, che hanno tutte la stessa massa, la stessa carica e lo stesso momento, vedono campi magnetici diversi (B= G d) e quindi seguono traiettorie con raggi di curvatura diversi.
Anche gli angoli di deflessione sono diversi.
Singletto di quadrupolo: 1 lente quadrupolareA seconda delle polarità, il fascio è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro.
Doppietto di quadrupolo: 2 singletti uguali (con polarità opposte) separati tra loroGeneralmete i valori di campo nelle due lenti sono uguali, salvo piccoli bilanciamentiA seconda delle polarità, il fascio è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro.Il fascio nella prima lente è soggetto ad un’azione focalizzante in un piano e defocalizzante nell’altro e ad azione contraria nella seconda lente.
Tripletto di quadrupolo: 3 singletti (con polarità opposte) separati tra loroGeneralmente il singletto centrale è più lungo dei due laterali (fra loro uguali) ed i valori di campo nelle due lenti esterne sono uguali,
Tripletti ALPI
17
Per tutti gli elettromagneti normalconduttivi
Raffreddamento
Raffreddamento delle bobine: - aria (convezione naturale) steerer LNL- olio un magnete al CN- raffreddamento diretto ad acqua
Tandem, Alpi, Piave: Raffreddamento diretto ad acqua
-Densità di corrente max ~ 10 A/mm2
-Conduttori rettangolari o quadrati (LNL) in rame con condotto centraleper l’acqua di raffreddamento
-Isolamento spira-spira e isolamento bobina-massa: resina epossidica
-Regime turbolento
In ciascuna lente: bobine raffreddate in parallelo
18
ALIMENTATORI
DIPOLI Amperspire totali (NI)tot = Bo g / µo
QUADRUPOLI Amperspire per polo (NI)p = G R2/ ( 2 µo )
Il campo magnetico dipende dalla corrente.
La corrente, una volta impostata, dev’essere stabile in modo da fornire un campo magnetico stabile, indipendentemente dalle variazioni della resistenza degli avvolgimenti
→ Gli alimentatori dei magneti devono essere dei generatori di corrente.
Tandem - Alpi – Piave:
Dipoli: classe di stabilità: 1 ppmderiva: 30 min + 1 ppm
3 ore <+ 1 ppm
Quadrupoli: classe di stabilità: 10 ppmderiva: 30 min + 3 ppm
3 ore <+ 10 ppm
19
Alimentatore stabilizzato di tipo lineare monofase:
Trasformatore: - “adatta” la tensione - isolamento elettrico tra alimentatore e rete
Raddrizzatore: trasforma la tensione da alternata a unidirezionale
Filtro capacitivo: “livella” la tensione pur mantenendo un ripple significativo
Circuito stabilizzatore: stabilizza la corrente di uscita tramite un anello a retroazione (confronto tra corrente di uscita e corrente di riferimentoe conseguente correzione relativa)
Tandem – Alpi – PIAVE:
1 dipolo: 1 alimentatore (bobina superiore ed inferiore alimentate in serie)
1 singletto: 1 alimentatore (bobine alimentate in serie, rispettando le polarità)
1 doppietto: ogni lente ha il proprio alimentatore
1 tripletto: 1 alimentatore per la lente centrale1 alimentatore per le due lenti laterali, alimentate in serie
I dc
irif
20
AlimentatoreLente quadripolareALPI
21
Come misuro l’induzione magnetica (campo magnetico)?
Tandem, Alpi, Piave- Misuratori NMR - Misuratori a sonda di Hall
Perché non ricavo il valore del campo magnetico dalla misura della corrente?Perché, a causa della isteresi, ad un valore di corrente di magnetizzazione corrisponde più di un valore di induzione
Misuratori NMRRisoluzione 10-7 T = 1 mG (1 Hz)
Si basano sul principio che un atomo di idrogeno (1H),se immerso in un campo magnetico statico B e in un campo magnetico alternato (RF) tra loro perpendicolari,si “eccita” (transizione a stati di energia diversi), e perciò assorbe energia dal campo RF, a una determinata frequenza:
f = k Bdove, per 1H: k = 42,57608 MHz/T
Dalla rilevazione delle f in cui avviene tale fenomeno, ricavo il valoredi B
Si usano nei magneti analizzatori
Tandem, Alpi, Piave: ID0-ID1-PD3-MD1-MD2-MD3-MD4-FD2
22
Misuratori a sonda di Hall• Risoluzione ~ 0,1 G (10-5 T) nei misuratori più nuovi (e costosi): ~ 0,01 G
• Range 0 – 3 T
• Sonda di Hall: piastra conduttrice percorsa da corrente elettrica Se la immergo in un campo magnetico perpendicolare alla piastra, appare una differenza di potenziale tra i punti opposti ai bordi della
piastra.Tale ddp è proporzionale al valore della componente perpendicolare del campo magnetico
F.Cervellera – LNL INFN – Corso sulle macchine acceleratrici – 7.10 gennaio 2003
Tandem, Alpi, Piave: quando uso il misuratore a sonda di Hall?
Quando devo azzerare l’induzione (campo magnetico) in un magnete.
ID0-TD1-PD4-FD1-AD2-TD4-TD6: in certe configurazioni di fascio, devono essere “trasparenti” rispetto al fascio che li attraversa
Come faccio ad azzerare il campo?Cicli di isteresi di ampiezza sempre più ridotta, fino a ridurre il più possibile l’induzione residua(Alimentatori con inversione di polarità)
23
24
Come controllo i magneti ?
Linea Tandem – Sale Sperimentali 1-2– Gli alimentatori sono negli scantinati Tandem– In console Tandem ci sono i pannelli di controllo di tutti gli alimentatori delle lenti
Alpi- Piave – Terza Sala Sperimentale– gli alimentatori sono posizionati lungo le linee di fascio– portando in loco ed utilizzando il pannello di controllo, si può comandare “in locale” ciascun alimentatore delle lenti magnetiche, ad eccezione di quelli degli steerer ALPI – tutti gli alimentatori e i misuratori NMR sono visualizzati “in remoto” da computer in consoleTandem-ALPI (RS422)
25
Ad ogni configurazione di fascio corrisponde un file che visualizza i magneti interessati al trasporto:
Fascio Tandem-Alpi-Sale Sp.1-2
Cliccando su un rettangolo con il nome di una lente appare la schermata relativa agli alimentatori della lente stessa:
Rettangoli con nomi di lenti:Verde: ps ONBianco: ps OFF Rosso: allarmeGiallo: un ps OFF e un ps ON (tripletti,….)Nero: non c’è comunicazione
Se c’è lo steerer e se è acceso (cornice azzurra nel sinottico):
Misuratore NMR:
26
Magneti ALPI: un po’ di storia ……
L’arrivo del primo magnete