Tópicos Especiais de Física Atômica e Molecular e Ótica

A interação de íons energéticos com a matéria:

aspectos básicos e aplicações

Aceleradores

Prof. Marcelo M. Sant’Anna

2009.2 - Aula 2

Aceleradores EletrostáticosEletrostáticos

Aceleradores Eletrostáticos (algumas referências históricas)

“A brief history and review of accelerators”, P. J. Bryant

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

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 • Na PUC-Rio há um VDG de 4 MV desde os anos 60

Tandem (maiores detalhes mais tarde)

• Ex.: o (Van de Graaff) Tandem modelo Pelletron de 1.7 MV do LaCAM (IF-UFRJ)

Aceleradores de campos variáveis

(usando “aceleração resonante”)(usando “aceleração resonante”)

Aceleradores de campos variáveis (algumas referências históricas)

“A brief history and review of accelerators”, P. J. Bryant

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

Ciclotron

• Novamente, sincronização!

• Ver animação em

www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Meca/Charges/cyclotron.html

+ avanços

• Avanços na estabilidade de fase, focalização, transporte de feixe...

Ex.: “Strong focusing”

Outros aceleradores

Crédito: Mark Mandelkern

Ex.: Síncrotron (de elétrons)

• Feixes de luz...

http://bilder.desy.de:9080/XFELmediabank/ListView.jsp?language=en_US&page=1&categoryID=2118&catalogID=5

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

Table 01 High Energy Accelerators

Large Electron Positron Collider

(CERN-LEP) in Genevaelectron, positron 200 Gev

discovered Z0, W in 1983;shut down in 2002

Relativistic Heavy Ion Collider

(BNL-RHIC) in Brookhavenheavy ions 200 Gev

created quark-gluonplasma

(Mini Big Bang)

Tevatron (FNAL) in Chicago proton, antiproton 2 Tevconfirmed Z0, W,

discovered top quark

Large Hadron Collider(CERN-LHC) in Geneva

proton-proton; ion-ion 14 Tevplanned for 2008 - LEP

replacement

Ex.: Síncroton de íons

• RHIC (Brookhaven)

Ex.: LHC

Pressão variável e calibrada

Célula gasosa Análise do estadode carga

X- X-, X0, X+,...

σ-1d

0.0 0.1 0.20.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F-1

Π (1016 cm-2)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F0 σ0

d

Voltando ao Pelletron de 1.7 MV do LaCAM

Pressão variável e calibradaDetecção

0.0 0.1 0.20.0

Π (1016 cm-2)

ACELERADOR

A fonte de íons por sputtering

Cs+Cs+

Cs

Ti-

O-

Cs

Ti-

O-

v

E

B

q

v

E

B

q

O Filtro de Wien

EqFe

rr=

vv

qvBqE =

BvqFb

rrr×=

0rrr

=+ be FFB

Ev =

O Filtro de Wien

40

60

80

100

RX%

=m/∆mX%

% A

ltur

a do

Pic

o

1.0

1.5

2.0

Vo

ltag

e (a

rbitr

ary

uni

ts)-2

0

20

40

∆m5% ∆m

10%∆m50%

% A

ltur

a do

Pic

o

m0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.0

0.5

Vo

ltag

e (a

rbitr

ary

uni

ts)

Mass(atomic units)

O acelerador propriamente dito

Feixe da fonte

de íons

“stripper” gasoso

Ímã

Feixe paraexperimentos

Xp+Xp+

Ímã

X-

X- → Xp+

X

O ímã seletor de momento

0.05

0.10

0.15

0.20

(arb

itrar

y un

its)

B

θ

B

θ

2

2

1mvE c =

0 1 2 3 4

0.00

B2 (a

rbitr

ary

units

)

mE/q2 (arbitrary units)

R

mvqvB

2

=

221

q

EmccB c+=

Experimentalmente, usamos para calibração:

qR

mvB =

Ou,2

2

q

mE

RB c=