TANDEM

L’acceleratore Tandem XTU è un acceleratore elettrostatico a due stadi situato presso i Laboratori Nazionali INFN di Legnaro (LNL). Installato nel 1981, ha rappresentato un importante passo avanti nello sviluppo delle strutture di accelerazione del Laboratorio e da allora ha svolto un ruolo fondamentale nel programma di ricerca in fisica nucleare dell’LNL. Il Tandem può funzionare come acceleratore autonomo, fornendo fasci di ioni direttamente alle aree sperimentali, oppure come iniettore per l’acceleratore lineare superconduttore ALPI, dove il fascio può essere ulteriormente accelerato a energie più elevate.

Struttura dell’acceleratore

L’acceleratore Tandem XTU è alloggiato in un recipiente a pressione orizzontale riempito di esafluoruro di zolfo (SF6) a una pressione nominale di circa 7 atm. Il gas fornisce l’isolamento elettrico necessario per far funzionare l’acceleratore a potenziali elettrostatici molto elevati. Al centro dell’acceleratore si trova il Terminale ad Alta Tensione (HVT), mantenuto a un potenziale positivo. Nelle attuali condizioni operative, il Tandem può funzionare a tensioni terminali fino a circa 14 MV. Un tubo a vuoto per il fascio si estende lungo l’asse longitudinale dell’acceleratore e attraversa il terminale ad alta tensione. I tubi di accelerazione e la relativa struttura di supporto si estendono su entrambi i lati del terminale, formando i due stadi di accelerazione successivi caratteristici di un acceleratore tandem. Il terminale ad alta tensione viene caricato da un sistema Laddertron.

Figura 1. Recipiente a pressione aperto dell’acceleratore tandem XTU con il terminale ad alta tensione e la colonna di accelerazione. Foto: Andrea Alessio.

Produzione di ioni negativi

Un acceleratore tandem richiede ioni caricati negativamente all’iniezione. Al LNL, l’iniettore del tandem utilizza sorgenti di ioni negativi a sputtering assistito da cesio. Gli atomi neutri vengono rilasciati dal materiale della sorgente tramite sputtering e gli ioni negativi vengono prodotti prima dell’estrazione e dell’iniezione nell’acceleratore. Gli ioni negativi vengono trasportati attraverso la linea di iniezione verso l’estremità a bassa energia del tandem. La loro carica negativa è essenziale per il principio di accelerazione tandem, perché permette loro di essere attratti verso il terminale ad alta tensione caricato positivamente durante la prima fase di accelerazione.

Il principio di accelerazione a TANDEM

Sia VT la tensione positiva del terminale ad alta tensione. Uno ione negativo a carica singola, con carica -e, che entra nell’acceleratore dal lato a bassa energia, viene attratto verso il terminale. Durante questa prima fase, lo ione acquisisce approssimativamente:

$$\mathrm{\Delta }{E}_1=e{V}_T\mathrm{.}$$

Ad una tensione del terminale di 14 MV, uno ione negativo a carica singola acquisisce quindi circa 14 MeV durante la prima fase di accelerazione, oltre alla sua energia iniziale di iniezione.

Stripping e conversione dello stato di carica

All’interno del terminale ad alta tensione, il fascio attraversa un sottilissimo foglietto di carbonio. Le collisioni con la lamina rimuovono gli elettroni dagli ioni negativi in ​​arrivo, che emergono con una distribuzione di stati di carica positivi. Se lo ione selezionato emerge con carica Q = +ze, dove z è lo stato di carica intero positivo, viene respinto dal terminale caricato positivamente e subisce una seconda accelerazione mentre si sposta dal terminale verso l’estremità ad alta energia dell’acceleratore. Durante questa seconda fase, il guadagno di energia è approssimativamente:

$$\mathrm{\Delta }{E}_2=ze{V}_T\mathrm{.}$$

Lo stesso terminale ad alta tensione viene quindi utilizzato due volte: prima per attrarre e accelerare gli ioni negativi e poi, dopo la conversione dello stato di carica, per respingere e accelerare ulteriormente gli ioni positivi. Questo processo a due fasi è all’origine del nome Tandem.

Figura 2. Schema dell’acceleratore tandem. Elementi principali: piattaforma della sorgente ionica (1), tubo acceleratore (2), colonna di supporto (3), terminale ad alta tensione (4), stazione di stripping (5), sistema di carica Laddertron (6), diagnostica del fascio (7), magneti di curvatura (8) e recipiente a pressione riempito di SF6 (9). Per gentile concessione di F. Cervellera.

Energia finale del fascio

Considerando entrambe le fasi di accelerazione, l’energia cinetica all’uscita del Tandem può essere approssimativamente espressa come:$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{j}}+e{V}_T+ze{V}_T-\mathrm{\Delta }{E}_{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{s}},$$

dove:

• $E_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{j}}$ energia cinetica dello ione all’iniezione;
• $V_T$ tensione di terminale;
• $z$ stato di carica positivo dopo lo stripping;
• $e$ carica elementare;
• $\mathrm{\Delta }{E}_{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{s}}$ relativamente piccole perdite di energia principalmente dovute al processo di stripping.

Per una descrizione semplificata, trascurando l’energia di iniezione e le perdite di energia relativamente piccole$$\boxed{{\displaystyle E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\simeq (1+z)e{V}_T}}$$

Questa relazione illustra uno dei principali vantaggi dell’accelerazione tandem: dopo lo stripping, lo ione può avere uno stato di carica considerevolmente superiore a +1, quindi l’energia guadagnata durante la seconda fase di accelerazione può essere diverse volte maggiore di quella guadagnata durante la prima fase. A titolo di semplice esempio, per una tensione terminale di 14 MV e uno ione che emerge dallo stripper con stato di carica 6+:$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\simeq (1+6)\times 14\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}=98\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V},$$

Selezione dello stato di carica e trasporto del fascio

Poiché il processo di stripping produce diversi stati di carica, il componente del fascio richiesto deve essere selezionato prima che venga trasportato nelle aree sperimentali. Gli elementi magnetici a valle dell’acceleratore vengono utilizzati per selezionare le specie ioniche e lo stato di carica appropriati in base alla loro rigidità magnetica. Un sistema di magneti dipolo e quadrupolo fornisce quindi l’analisi, l’orientamento e la focalizzazione del raggio. I dispositivi diagnostici del fascio installati lungo le linee di trasporto consentono di monitorare le proprietà e la posizione del fascio durante il funzionamento dell’acceleratore. Un magnete di switching dirige il fascio accelerato verso la linea di fascio sperimentale selezionata o verso l’acceleratore ALPI.

Figura 3. Sezione di trasporto del fascio a valle del Tandem. Elementi magnetici e componenti del vuoto vengono utilizzati per la selezione, la messa a fuoco e il trasporto del fascio. Foto: Andrea Alessio.

Tandem e ALPI

XTU Tandem può fornire fasci direttamente a diverse aree sperimentali dei LNL o funzionare come iniettore per ALPI (Acceleratore Lineare Per Ioni).

ALPI è un acceleratore lineare superconduttore situato adiacente alla struttura Tandem. Il fascio preaccelerato proveniente dal Tandem viene trasportato ad ALPI attraverso una linea di fascio dedicata dotata di dipoli magnetici, quadrupoli e sistemi di clustering. In ALPI, le cavità superconduttrici a radiofrequenza forniscono uno stadio di accelerazione aggiuntivo, consentendo di raggiungere energie del fascio finale più elevate.

Insieme a PIAVE, l’iniettore di ioni positivi per ALPI, il Tandem e l’ALPI formano il complesso di acceleratori Tandem–ALPI–PIAVE (TAP), una delle principali infrastrutture acceleratrici per la ricerca in fisica nucleare presso i Laboratori Nazionali di Legnaro.

Fasci ionici e ricerca

Il Tandem fornisce un’ampia gamma di fasci ionici stabili per esperimenti di fisica nucleare, astrofisica nucleare e campi correlati. La sua capacità di operare sia indipendentemente che in combinazione con ALPI fornisce una notevole flessibilità nelle specie ioniche, negli stati di carica e nelle energie dei fasci, supportando un’ampia gamma di programmi sperimentali ai LNL.

Per informazioni aggiornate sui fasci disponibili, le energie e le attuali condizioni operative dell’acceleratore, gli utenti sono invitati a consultare le pagine dedicate.