ACCELERATOR PHYSICS AND APPLICATIONS
Anno accademico 2023/2024 - Docente: DAVID MASCALIRisultati di apprendimento attesi
Conoscenza e capacità di comprensione:
Comprensione dei meccanismi fisici fondamentali coinvolti nelle applicazione di fasci di elettroni, fotoni e ioni nelle applicazioni in campo medico.
Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute nell'ambito dell'interazione particelle-campi elettromagnetici e della fisica dei plasmi a nuovi problemi (problem solving) e diversi contesti della fisica nucleare e delle sue applicazioni alla medicina.
Capacità di apprendimento:
Acquisizione di adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze e della capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo della fisica degli acceleratori, dei plasmi e delle tecniche avanzate di medicina basate su acceleratori di particelle (Radiologia, medicina nucleare e radioterapia oncologica) che nel campo della dosimetria clinica.
Abilità comunicative:
Competenze nella comunicazione nell’ambito degli acceleratori di particelle, della fisica dei plasmi e delle applicazioni alla medicina
Il corso offre, attraverso le dispense di appunti e la bibliografia proposta, la possibilità di proseguire autonomamente lo studio ed approfondire gli step che conducono al conceptual design di facility basate su acceleratori di particelle, anche con l'ausilio delle visite di laboratorio presso i LNS dell'INFN
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Si prevede inoltre la programmazione di un tutorial inerente i tool di calcolo e modellizzazione elettromagnetica alle differenze finite (FEM) per cavità RF, guide d’onda, cristalli fotonici, ecc
Prerequisiti richiesti
Frequenza lezioni
Contenuti del corso
INTRODUZIONE: CAMPI EM E PROPRIETA' GENERALI DEI FASCI DI PARTICELLE (6 ore)
Campi elettrici e campi magnetici: Il campo elettromagnetico. Equazioni del moto di particelle cariche in campi magnetici. Richiami di relatività ristretta: energia e impulso, energia nel centro di massa in schemi di accelerazione a target fisso vs. colliders. Leggi della focalizzione di fasci particelle. Teorema dell’accelerazione. Cavità a radio-frequenza. Sistemi di produzione, guida e trasmissione di onde elettromagnetiche.
Sistemi di trasporto di fasci di particelle: equazioni del moto; Lenti magnetiche ed elettrostatiche; dipoli, quadrupoli e sestupoli; Sistemi di selezione in energia e carica; spettrometri magnetici.
Principali caratteristiche dei fasci ionici: emittanza, brillanza, luminosità.
PLASMI E SORGENTI DI IONI (6 ore)
Fisica dei plasmi: Definizione di plasma. Concetto di temperatura di un plasma. Distanza schermo di Debye. Oscillazioni del plasma. Parametri caratteristici dei plasmi. Plasmi collisionali e non-collisionali. Descrizione cinetica dei plasmi. Funzione di distribuzione. Momenti della funzione di distribuzione. Equazione di Vlasov. Confinamento magnetico. Strutture e configurazioni principali per il confinamento magnetico.
Sorgenti ioniche al plasma: principi fisici e caratteristiche tecnologiche.
Diagnostiche di plasma
FUNZIONAMENTO DEGLI ACCELERATORI DI PARTICELLE (16 ore)
Principi di funzionamento e tecnologia dei più diffusi acceleratori di particelle:
- Acceleratori Elettrostatici
- LINACS: principi di funzionamento, stabilità di fase, focalizzazione
- RFQ: principi di funzionamento, stabilità di fase, focalizzazione
- Ciclotroni: principi di funzionamento, stabilità di fase, focalizzazione
- Sincrotroni: principi di funzionamento, stabilità di fase, focalizzazione
- Dielectric Laser Accelerators: principi di funzionamento, stabilità di fase, focalizzazione
APPLICAZIONI ALLA MEDICINA (8 ore)
Interazione della radiazione e delle particelle con la materia: Introduzione alla dosimetria.
Dosimetria clinica di fasci di elettroni, fotoni ed adroni. Rivelatori per Dosimetria clinica. Rivelatori a gas, calorimetri, rivelatori a stato solido, termoluniscenti ed ottici. Dosimetria assoluta di una radiazione da un tubo a Raggi-X (30 - 300 KVp). Elementi di base di un tubo a Raggi-X.
Tecniche di trasporto per fasci di particelle cariche (protoni e ioni carbonio) per applicazioni mediche. Metodiche attive e passive di modulazione energetica. Determinazione delle caratteristiche di un fascio clinico in termini di uniformità e distribuzione spaziale.
Applicazione degli Acceratori alla medicina: Imaging morfologico e funzionale; Macchine per per imaging (CT, PET e RM); produzione di radiofarmaci; acceleratori per radioterapia con fasci esterni (Ciclotroni, Linac e sincrotroni)
APPLICAZIONI AI BENI CULTURALI (4 ore)
Sinctrotroni e sorgenti di raggi X per l'analisi elementale, sistemi compatti, analisi dei manufatti.
ACCELERATORI LASER-PLASMA (4 ore)
Acceleratori di particelle basati su laser di alta potenza: Punti di vista Euleriano e Lagrangiano. Forze agenti. Formazione di plasmi ad alta temperatura. Produzione di onde di plasma e accelerazione di elettroni e ioni in plasmi ad alta temperatura.
TUTORIAL (4 ore): utilizzo delle suite di calcolo di tipo FEM e progettazione elettromagnetica per acceleratori (sorgenti, cavità RF, guide d'onda), ad es. COMSOL, CST, HFSS
Testi di riferimento
P.J. Bryant, "Introduction to Transfer Lines and Circular Machines" CERN accellerators School, CERN 84-04 |
T. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, Chapter 1 (Wiley, New York, 1998). |
R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas (Institute of Physics, Philadelphia, PA, 1996). |
B. Wolf, Handbook of Ion Sources (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995). R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas (Institute of Physics, Philadelphia, PA, 1996).
|
M. Vretenar. Linear accelerators (2013). https://doi.org/10.48550/arXiv.1303.6766 P.J. Bryant, "Introduction to Transfer Lines and Circular Machines" CERN accellerators School, CERN 84-04 |
R. Joel England et al., “Dielectric Laser Accelerators”, Rev. Mod. Phys. 86, 1337https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.86.1337 |
J. J. Livingood, Principles of Cyclic Particle Accelerators(1961, D Van Nostrand Company)
V. L. Smirnov. The cyclotron and its modeling. Physics of Particles and Nuclei, Volume 52, Issue 5, p.913-996.https://link.springer.com/article/10.1134/S106377962105004X |
Applications of Laser-Driven Particle Acceleration Edited ByPaul Bolton, Katia Parodi, Jörg Schreiber, https://doi.org/10.1201/9780429445101 |
CAS Cern Accelerator School, " Cyclotrons, linacs and Their application", 96-02 |
F.H. Attix "Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry" Wiley VCH |
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Introduzione, cenni di relatività ristretta e proprietà principali dei fasci di particelle (4 ore) | |
| 2 | Moti di particelle cariche in campi elettrici e magnetici, emittanza, brillanza e luminosità (4 ore) | P.J. Bryant, "Introduction to Transfer Lines and Circular Machines" CERN accellerators School, CERN 84-04 |
| 3 | Elettromagnetismo per gli Acceleratori di Particelle: strutture, cavità, guide d’onda (2 ore) | T. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, Chapter 1 (Wiley, New York, 1998). |
| 4 | Fisica dei plasmi e Sorgenti di ioni: principi fisici e caratteristiche tecnologiche (4 ore) | R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas (Institute of Physics, Philadelphia, PA, 1996). |
| 5 | Rivelatori e Diagnostiche per le sorgenti ioniche e gli acceleratori (2 ore) | B. Wolf, Handbook of Ion Sources (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995).R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas (Institute of Physics, Philadelphia, PA, 1996). |
| 6 | Acceleratori Lineari: RFQ e LINACs (4 ore) | M. Vretenar. Linear accelerators (2013). https://doi.org/10.48550/arXiv.1303.6766 P.J. Bryant, "Introduction to Transfer Lines and Circular Machines" CERN accellerators School, CERN 84-04 |
| 7 | Acceleratori lineari innovativi: Dielectric Laser Accelerators (2 ore) | R. Joel England et al., “Dielectric Laser Accelerators”, Rev. Mod. Phys. 86, 1337https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.86.1337 |
| 8 | Ciclotroni e Sincrotroni (4 ore) | J. J. Livingood, Principles of Cyclic Particle Accelerators (1961, D Van Nostrand Company) V. L. Smirnov. The cyclotron and its modeling. Physics of Particles and Nuclei, Volume 52, Issue 5, p.913-996. https://link.springer.com/article/10.1134/S106377962105004X |
| 9 | Accelerazione laser: principi fisici, tecnologia e principali apparati (6 ore) | Applications of Laser-Driven Particle AccelerationEdited ByPaul Bolton, Katia Parodi, Jörg Schreiber, https://doi.org/10.1201/9780429445101 |
| 10 | Applicazioni mediche degli acceleratori (4 ore) | CAS Cern Accelerator School, " Cyclotrons, linacs and Their application", 96-02 |
| 11 | Interazione della radiazione e delle particelle con la materia; Dosimetria (4 ore) | F.H. Attix "Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry" Wiley VCH |
| 12 | Acceleratori per i Beni Culturali (4 ore) | |
| 13 | Tutorial simulatori elettromagnetici (4 ore) |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
La verifica dell’apprendimento è affidata ad un esame finale orale. Attraverso domande relative a punti qualificanti delle varie parti del programma si tende ad accertare il livello di conoscenza complessiva acquisita dal candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in relazione tra loro le varie parti del programma e gli argomenti trattati. Verranno valutate altresì la capacità di riportare esempi, la proprietà di linguaggio e la chiarezza espositiva.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Alcune domande – che non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi – poste in sede di esame sono di seguito riportate:
- Principi di funzionamento di un ciclotrone
- Principi di funzionamento di un sincrotrone
- Principi di funzionamento di un linac
- Equazione del moto di una particella carica in un ciclotrone
- Equazione del moto di una particella carica in un linac
- Stabilità e focalizzazione di un fascio di particelle in una macchina circolare
- Stabilità e focalizzazione di un fascio di particelle in una macchina lineare
- Sorgenti per ioni. Produzione di plasmi ad alta temperatura e sistemi di diagnostica di plasma
- Interazione della radiazione con la materia
- Rivelatori per dosimetria clinica
- Tecniche di trasporto attivo e passivo per fasci clinici di protoni e ioni
- Applicazione degli acceleratori alla medicina