Física de Aceleradores
Prof. Marcelo Sant’Anna
Sala A-310 (LaCAM) e-mail: [email protected]
Laboratório de Física Corpuscular - aula 2 2009.1 - Instituto de Física - UFRJ
1
Aceleradores
Eletrostáticos
Laboratório de Física Corpuscular - aula 2 2009.1 - Instituto de Física - UFRJ
2
Aceleradores Eletrostáticos (algumas referências históricas)
“A brief history and review of accelerators”, P. J. Bryant
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3
Cockcroft-Walton

Foto de um multiplicador de voltagens Cockcroft-Walton . Esta parte
do acelerador foi utilizado para o desenvolvimento da bomba nuclear.
Foi construído em 1937 e atualmente exposto no Museu de ciências
de Londres
Laboratório de Física Corpuscular - aula 2 –
2009.1 - Instituto de Física - UFRJ
4
Van de Graaff


O primeiro VDG foi
construído por
Robert Jemison Van
de Graaff, enquanto
estava em Princeton,
em 1929.
Na PUC-Rio há um
VDG de 4 MV desde
os anos 60
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5
Tandem (maiores detalhes mais tarde)

Ex.: o (Van de Graaff) Tandem
modelo Pelletron de 1.7 MV do
LaCAM (IF-UFRJ)
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6
Aceleradores de
campos variáveis
(usando “aceleração resonante”)
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7
Aceleradores de campos variáveis (algumas referências históricas)
“A brief history and review of accelerators”, P. J. Bryant
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8
RF Linac
Alternando “tubos de deriva” e potenciais V(t).

Notar a “aceleração resonante” (sincronização!).

Notar comprimentos variáveis dos tubos.

Ver animação em:
www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Meca/Charges/linac.html

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9
Ciclotron
Novamente, sincronização!

Ver animação em
www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Meca/Charges/cyclotron.html

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10
+ avanços

Avanços na estabilidade de fase, focalização, transporte de
feixe...
Ex.: “Strong focusing”
Crédito: Mark Mandelkern
Outros aceleradores
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11
Ex.: Síncrotron (de elétrons)

Feixes de luz...
http://bilder.desy.de:9080/XFELmediabank/ListView.jsp?language=en_US&pa
ge=1&categoryID=2118&catalogID=5
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12
Table 01 High Energy Accelerators
Ex.: Aceleradores de energia mais alta
Accelerator
Colliding Particles
Total Energy
Major Accomplishment
Stanford Linear Collider
(SLC) in Palo Alto
electron, positron
100 Gev
provided first look at Z0
200 Gev
discovered Z0, W in
1983;
shut down in 2002
Large Electron Positron
Collider
(CERN-LEP) in Geneva
electron, positron
Relativistic Heavy Ion
Collider
(BNL-RHIC) in
Brookhaven
heavy ions
200 Gev
created quark-gluon
plasma
(Mini Big Bang)
Tevatron (FNAL) in
Chicago
proton, antiproton
2 Tev
confirmed Z0, W,
discovered top quark
Large Hadron Collider
(CERN-LHC) in Geneva
proton-proton; ion-ion
14 Tev
planned for 2008 - LEP
replacement
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13
Ex.: Síncroton de íons

RHIC (Brookhaven)
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14
Ex.: LHC
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Voltando ao Pelletron de 1.7 MV do LaCAM
1.0
0.8
s-1d
Célula gasosa
Análise do estado
de carga
F-1
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
 (10 cm )
16
-2
1.0
s0
0.8
X-, X0, X+,...
0.6
F0
X-
0.4
d
0.2
Pressão variável e calibrada
0.0
0.0
0.1
0.2
 (10 cm )
16
-2
Detecção
ACELERADOR
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16
A fonte de íons por sputtering
Cs+
Ti-
OCs
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17
O Filtro de Wien


F e  qE
E
q
B
v

 
Fb  qv  B



F e  Fb  0
qE  qvB
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E
v
B
18
O Filtro de Wien
100
% Altura do Pico
60
40
20
0
m
Dm5%
Dm10%
Dm50%
-2
Voltage (arbitrary units)
RX%=m/DmX%
80
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
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2
4
6 8 10 12 14 16 18 20
Mass(atomic units)
19
O acelerador propriamente dito
“stripper” gasoso
Feixe da
fonte
de íons
Feixe para
experimentos
Xp+
Xp+
Ímã
XX-  Xp+
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20
O ímã seletor de momento
1
E c  mv 2
2
q
0.15
0.10
0.05
2
B
B (arbitrary units)
0.20
qvB 
Ou,
mv
R
2
2
B
R
mv
B
qR
m Ec
q
2
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0.00
0
1
2
3
4
2
mE/q (arbitrary units)
Experimentalmente,
usamos para calibração:
B  c1  c 2
m Ec
q2
21