Macchine per la ricerca

Gli acceleratori elettrostatici AN2000 e CN

Acceleratori elettrostatici ai Laboratori Nazionali di Legnaro

In questa rubrica presentiamo, di volta in volta, i tanti esperimenti su cui i ricercatori dell’INFN sono impegnati. In questo articolo si parla degli acceleratori AN2000 e CN

a cura di M. Campostrini, A. Gozzelino, V. Rigato

Se parliamo di acceleratori di particelle per la ricerca, la gran parte di voi pensa al Large Hadron Collider (circonferenza di 27 km) o acceleratori lineari come il Drift Tube Linac per European Spallation Source in costruzione a Lund in Svezia. Le macchine della ricerca hanno anche dimensioni inferiori e a volte sono addirittura portatili (ad esempio, si consideri il progetto MACHINA dell'INFN per la fisica dei beni culturali).

I Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sono dotati di sei acceleratori, tra cui due macchine acceleratrici elettrostatiche a singolo stadio. Queste macchine sfruttano la legge di Coulomb e hanno dimensioni lineari di alcuni metri. CN è un acceleratore Van de Graaf verticale operativo dal 1961 (figura 1); AN2000 è un acceleratore Van de Graaf orizzontale operativo dal 1971 (figura 2).

 

  fig2 an2000
 

Fig.1,  acceleratore elettrostatico CN.

 

Fig.2, acceleratore elettrostatico AN2000.

 

La tensione del terminale raggiunge 7 milioni di Volt per il CN e 2 milioni di Volt per AN2000. Le particelle cariche positivamente escono dalla sorgente, detta bottiglia, (Fig. 3) posta sul terminale a tensione positiva. I magneti normalconduttivi bipolari determinano la direzione del fascio verso le camere di reazione: ci sono 7 linee al CN e 5 all’AN2000 (Fig. 4). Le sale sperimentali si trovano nello stesso edificio delle macchine acceleratrici. CN accelera protoni, particelle α, azoto con fascio anche pulsato (pacchetti di particelle). All’AN2000 sono disponibili fasci continui di protoni e particelle α.

fig3 sorgenteCN

Fig.3, sorgente dell’acceleratore CN (bottiglia).

fig4 an2000

Fig. 4, le linee di fascio disponibili all’AN2000.

In questi casi, un edificio ospita l’acceleratore e le aree sperimentali. Si tratta di macchine affidabili abbastanza comuni per le ricerche in fisica interdisciplinare.

CN è utilizzato per ricerche su radioprotezione, dosimetria, test di rivelatori di radiazioni e analisi delle superfici e fisica nucleare (misura di sezioni d’urto di processi in astrofisica). Una linea di fascio è installata in un bunker (Fig. 5) ed è dedicata all’irraggiamento con neutroni prodotti da collisioni bersagli di litio e berillio.

La tecnica Rutherford Back Scattering (RBS) si basa sull’esperimento di Rutherford e fornisce informazioni dettagliate sul materiale colpito. Immaginate di misurare quanta vernice depositate sulla ringhiera del balcone con un pennello: 1 cm, 2 cm, 5 cm? Quali materiali contiene la vernice?  RBS misura spessori di pochi µm fino a pochi nm depositati anche in più strati, come ad esempio una lastra di Rutenio-Cromo-Silicio. In fisica dei materiali, la tavola periodica degli elementi è uno strumento di supporto essenziale (avete già trovato l’elemento Ru?)

fig5 CN

Fig. 5, alcune linee di fascio disponibili al CN, incluso il bunker per neutroni.

AN2000 è dotato di un canale di misura (Fig. 6) che permette esperimenti in vuoto con un fascio di ioni estremamente collimati (pochi μm di diametro sul bersaglio). Il sistema è corredato da un dispositivo di alta precisione per il posizionamento dei bersagli, di un apparato di analisi fine del fascio, di rivelatori per raggi X e particelle retro-diffuse. Nel complesso si tratta di un vero e proprio microscopio a ioni che permette di raggiungere un’altissima risoluzione spaziale (pochi µm). Informazioni così dettagliate sono utili per studiare in profondità il profilo della composizione elementare del bersaglio e per misurare la concentrazione di singoli elementi in un campione (analisi in traccia). Queste tecniche sono applicate in fisica dello stato solido, archeometria, fisica dei beni culturali, fisica dell’ambiente, caratterizzazione e irraggiamento di componenti usati in ambito aereospaziale.

fig6 AN

Fig. 6, la camera di reazione per lo studio degli elementi in traccia in ambito di fisica dei beni culturali e dell’ambiente con il micro-fascio presso AN2000.

Nel contesto della fisica dei beni culturali, con le tecniche di fisica nucleare legate alla rivelazione di raggi γ, i ricercatori studiano la provenienza dei lapislazzuli e la composizione di monete romane. E se le rotte commerciali di pietre preziose dell’antichità fossero diverse da quelle riportate sul vostro libro di storia? Esistevano già i falsari ai tempi dei romani? L’analisi tecnologica dei manufatti consente di rispondere a quesiti di storici dell’arte e di archeologi.

In prospettiva, all’AN2000 sarà installata una nuova linea di fascio dedicata a irraggiamenti e trattamenti superficiali con fasci ultra collimati ad alta precisione di posizionamento.

Gli acceleratori CN e AN2000 sono in servizio da decine di anni, ma continuano ad esser macchine per la ricerca e guardano al futuro per vincere altre sfide innovative.

Magari sarete voi i prossimi utenti di questi acceleratori poiché le attività di Terza Missione per docenti e studenti di scuola secondaria di II grado prevedono misure di RBS su film sottili (fisica dei materiali) e la ricerca degli elementi in traccia nei lapislazzuli (fisica dei beni culturali).

Vi piacerebbe svolgere una giornata di misura su un ambito di fisica interdisciplinare a vostra scelta? Che ne dite?

 

 

Fotografie a cura di Daniele Farina, collaboratore di Aurora Vision.

 Sito dell'esperimento AN2000  

 Sito dell'esperimento CN accelerator 

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