ACCELERATOR PHYSICS AND APPLICATIONS

Anno accademico 2022/2023 - Docente: DAVID MASCALI

Risultati di apprendimento attesi

Il corso si propone di dare agli studenti una approfondita conoscenza di tutti i principi di Fisica su cui si basa il funzionamneto degli acceleratori di particelle e di mostrare in dettaglio la tecnologia che permette di realizzare queste macchine. Saranno anche mostrati le applicazioni degli acceleratori nei campi diversi dalla ricerca in fisica nucleare e delle particelle. Particolare attenzione sarà data alle applicazioni mediche e per questo saranno date le conoscenze fisiche relative alla interazione della radiazione con la materia.

 

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding) 

 

Comprensione critica dei principali concetti alla base della dinamica del moto di fasci di elettroni e ioni in acceleratori circolari e lineari.

Comprensione dei meccanismi fisici fondamentali coinvolti belle applicazione di fasci di elettroni, fotoni e ioni nelle applicazioni in campo medico.

Capacità di identificare gli elementi essenziali dei fenomeni legati alla accelerazione di particelle ed alla

loro produzione , in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste. 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.

 

Abilità comunicative (communication skills)

 

Competenze nella comunicazione nell’ambito degli acceleratori di particelle, della fisica dei plasmi e delle applicazioni alla medicina

 

Capacità di apprendimento (learning skills).

 

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.

 

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali in aula o, qualora necessario, in modalità remota/a distanza

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Prerequisiti richiesti

Conoscenza della leggi dell'elettromagnetismo: Equazioni di Maxwell. Struttura della materia.

Frequenza lezioni

 La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

Contenuti del corso

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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 magfnetiche ed elettrostatiche; dipoli, quadrupoli e sestupoli; Ssitemi di selezione in energia e carica; spettrometri magnetici.

 

Principali caratteristiche dei fasci ionici: emittanza, brillanza, luminosità.

 

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.

 

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

 

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. Controlli di qualità su un tubo a Raggi-X. Strumentazione dosimetrica. Parametri che caratterizzano il fascio. Determinazione della dose assoluta in acqua di un fascio di raggi-X di bassa e media energia

(30-300 KVp). Worksheet dosimetrico


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. 


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.

 

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)

Testi di riferimento

The Transport of Charged Particle Beams, Banford A. P., (Spon, 1966)

Focusing of Charged Particles, ed. Albert Septier, Academic Press, New York, 1967

 

Particle Accelerators and Their Uses, By Waldemar Scharf, Francis T. Cole

An Introduction to the Physics of High Energy Accelerators, D. A. Edwards and M. J. Syphers, (Wiley, 1993)

 

Engines of Discovery: A Century of Particle Accelerators, A. Sessler and E. Wilson, (World Scientific, 2007)

 

Optics of Charged Particles, Hermann Wollnik (1987)

 

Karl L. Brown, F. Rothaker, David C. Carey and C. Iselin, “TRANSPORT, a Computer Program for Designing Charged Particle Beam Transport System” SLAC Report N° 91, Rev.2, 1977

 

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Introduzione, cenni di relatività ristretta e proprietà principali dei fasci di particelle (4 ore)
2Moti 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
3Elettromagnetismo 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).
4Fisica 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).
5Rivelatori 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). 
6Acceleratori 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
7Acceleratori 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 
8Ciclotroni 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
9Accelerazione 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
10Applicazioni mediche degli acceleratori (4 ore)CAS Cern Accelerator School, " Cyclotrons, linacs and Their application", 96-02
11Interazione della radiazione e delle particelle con la materia; Dosimetria (4 ore)F.H. Attix "Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry" Wiley VCH

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

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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 temeratura e sistemi di diagnstica di plasma

-        Interazione della radiazione con la materia

-        Rivelatori per dosimetria clinica

-        Applicazione dehli accelartori alla medicina