Laboratori Nazionali del Sud

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Acceleratori

Ciclotrone Superconduttore

Il Ciclotrone Superconduttore (CS) K800 è un acceleratore ciclico compatto a tre settori, in grado di accelerare fasci ionici dai protoni all’uranio ad energie sino a 80 MeV/A. Il polo ha un raggio di 90 cm e il campo magnetico al suo interno può raggiungere il valore di 4.8 T. Per ottenere valori di campo magnetico così intensi il ciclotrone superconduttore è equipaggiato da due serie di bobine superconduttive al Nb-Ti (a e b) immerse in bagno di elio liquido (LHe), ad una temperatura di esercizio di 4.2K.

Gli ioni positivi prodotti in una sorgente ECR (Electron Cyclotron Resonance), sono iniettati lungo la linea di iniezione verticale della camera di accelerazione e percorrono delle orbite a spirale, con una frequenza di rivoluzione che dipende dallo stato di carica, dal campo magnetico e dalla loro massa. L’accelerazione è ottenuta grazie alla presenza di un campo elettrico ad alta frequenza nei gap acceleranti tra gli elettrodi (denominati dee),che oscilla ad una radio frequenza compresa tra 15 e 48 MHz, pari al doppio della frequenza di rivoluzione delle particelle in quanto il CS lavora quasi esclusivamente in cosiddetta armonica h=2, anche se teoricamente le armoniche permesse sono h=1,2,3,4. La sequenza temporale del flusso di particelle accelerate è strutturata in pacchetti (bunch), distanziati di un  periodo dato dall'inverso della radiofrequenza.

Quando l’energia del fascio raggiunge il suo valore massimo, le particelle si troveranno nell’orbita di raggio massimo, vengono estratte attraverso un deflettore elettrostatico ed inviate lungo la linea di estrazione, per essere poi essere trasportate in sala sperimentale. A seguito dei limiti di bending Kb=800 e di focusing Kf=200, i massimi valori di energia raggiungibili sono 80MeV/A per ioni leggeri completamente ionizzati e 20 MeV/A per gli ioni più pesanti, come l’ 238U38+

   

Il CS è stato progettato da Francesco Resmini nei primi anni ’80 alLASA di Milano, dove sono stati costruiti i macro componenti principali e dove è stato effettuato con successo il primo raffreddamento del criostato a 4.2 K. All’inizio degli anni ’90 il CS è stato trasferito ai LNS, viene assemblato in tutte le sue macro componenti e nel 1994 viene finalmente accelerato ed estratto per la prima volta un fascio di particelle di 58Ni a 30MeV/A.

Sino al 1999 il CS utilizza l’acceleratore elettrostatico Tandem come iniettore radiale del fascio. Questo viene poi sostituito dall’attuale sistema di iniezione assiale basato sull’utilizzo della sorgente ECR, che produce gli ioni da accelerare con un stato di carica molto elevato. Una volta estratti dalla sorgente, gli ioni vengono trasportati lungo la cosiddetta linea assiale sino alla camera di accelerazione del CS. Con questa configurazione il CS è stato reso totalmente indipendente dal Tandem, rendendo così possibile la coesistenza dei fasci di particelle prodotti con i due acceleratori.

Uno degli aspetti più critici del CS riguarda l’estrazione del fascio dalla camera di accelerazione, che richiede due deflettori elettrostatici, sette canali magnetici e due barre di compensazione magnetica. La posizione e i parametri di esercizio di tutti questi elementi dipendono dallo ione (massa e stato di carica) e dalla sua energia. I due deflettori hanno un gap da 6 mm, all’interno del quale il valore massimo di campo elettrico applicato per estrarre gli ioni più energetici è di ben 120 kV/cm.

Oltre venti anni di attività del CS hanno dimostrato l’estrema versatilità ed affidabilità di questo acceleratore di particelle, permettendo di effettuare centinaia di esperimenti in differenti ambiti di ricerca scientifica e tecnologica, con svariati risvolti applicativi.

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