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Laurea magistrale in Fisica

percorso su

Acceleratori e Superconduttività

Applicata

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• Gli acceleratori di particelle sono nati come

strumenti per la ricerca di base in Fisica

nucleare e sub-nucleare, mirando nel tempo a

energie di collisione sempre più elevate.

• Si sono sviluppati concetti sempre nuovi e

innovativi di acceleratori, utilizzando principi

diversissimi (acceleratori elettrostatici, a

induzione, lineari, circolari) o impiegando

tecnologie di frontiera (superconduttività).

• Oggi l’impiego degli acceleratori copre altri

settori della fisica, biologia e medicina: – Adroterapia (medicina)

– Produzione di radioisotopi (medicina, biologia)

– Luce di sincrotrone (biologia, studio dei materiali)

– Impiantazione ionica (semiconduttori)

– Sterilizzazione (processi industriali)

• Anche la superconduttività trova impieghi

diversi: – Risonanze Magnetiche Nucleari (medicina, biologia)

– Linee elettriche di potenza (industria e civile)

– Motori elettrici ad alto rendimento (industria)

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Acceleratori nel mondo (stima)

Impiantatori di ioni 7000

Acceleratori nell’industria 1500

Acceleratori ricerche non nucleari 1000

Radioterapia 5000

Produzione radioisotopi medicali 200

Radioterapia adronica 20

Radiazione sincrotrone 70

Ricerca nucleare e subnucleare 110

Totale 15000

Acceleratori

elettrostatici

Cockcroft - Walton 1930

Van de Graaff 1935

Tandem 1960

Acceleratori

circolari

Ciclotrone 1930

Microtrone 1945

Sincrociclotrone 1946

Sincrotrone 1953

Ciclotrone AVF 1963

Acceleratori

lineari

Wideröe Linac 1928

Alvarez Linac 1946

Electron Linac 1947

RFQ 1970

Acceleratori ad

induzione

Betatrone 1940

Induction Linac 1953

Tipi di acceleratori

Gli acceleratori di particelle

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Dimensioni estreme

Linac medicale 1 m

LHC (27 km)

Barrel Toroid

ATLAS (25 m)

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Acceleratori in Italia

• LNF (Frascati) – Fisica delle particelle - storage ring e+e-

• LNL (Legnaro) – Fisica Nucleare – Tandem+ linac

superconduttivo

• LNS (Catania) – Fisica Nucleare- Tandem +ciclotrone

superconduttore

• Elettra (Trieste)- Struttura della materia (luce di sincrotrone)

–storage ring elettroni

• CNAO (Pavia) – Adroterapia- sincrotrone protoni e carbonio

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Superconduttività:

Consente prestazioni migliori per

– Magneti per acceleratori e rivelatori DC ( campi sino a 15 T )

– Cavità RF ( campi acceleranti sino a 40 MV/m)

con un risparmio sui costi (costruzione + esercizio) ma complessità

di progettazione e criogenia (elio liquido o superfluido)

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Densità di corrente critica a 4.2 K

Cri

tica

l cu

rren

t d

ensi

ty A

.mm

-2

10

102

103

104

Magnetic field (Tesla)

Nb3S

n

NbTi

Conventional

iron yoke

electromagnets

Le potenzialità e i

vantaggi della

superconduttività sono

enormemente maggiori

rispetto ai tradizionali

elettromagneti in rame

con poli magnetici in

ferro

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L’indirizzo di Acceleratori e Superconduttività Applicata della Laurea

in Fisica è teso allo sviluppo di nuovi acceleratori di particelle.

Nel Dipartimento di Fisica storica tradizione nel campo degli

acceleratori al laboratorio LASA (Laboratorio Acceleratori e

Superconduttività Applicata). Ciclotrone superconduttore del LNS

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Linee di ricerca attive al LASA

Tesi (triennali-magistrali e dottorato) disponibili al LASA

anche in collaborazione con laboratori esteri sui temi di

ricerca di punta

Laureati ben apprezzati nei laboratori di ricerca italiani ed

esteri (europei ed americani) e nell’industria

Dipartimento di Fisica

INFN Sezione di Milano

Laboratorio LASA

Segrate (MI)

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1. Magneti Superconduttivi per acceleratori e rivelatori

Linee principali di ricerca attuali:

• HiLumi-LHC (upgrade della zona di interazione dei fasci - 2020): sviluppo e costruzione

dei magneti correttori di qualità del campo (4-polo, 6-polo, 8-polo, 10-polo e 12-polo)

• Future Circular Collider da 100 TeV (FCC program, collider da 100 km di circonferenza

- 2035): sviluppo dei dipoli principali ad alto campo (16 T).

10-pole cross section 4-pole 3D studies 8-pole assembly at LASA

Prof. M Sorbi

Prof. G. Bellomo

Dott. V. Marinozzi

LHC

FCC

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2. Acceleratori superconduttivi lineari per elettroni e protoni

Linee principali di ricerca attuali:

• XFEL (Free Electron Laser nella regione dei raggi X elettroni a 30 GeV per generare

radiazione X al alta intensità sino a 1 Å (10-10 m).

• European Spallation Source (realizzazione di accelerazioni lineari di protoni ad alta intensità

da 1 GeV per la produzione di neutroni mediante bombardamento)

• EUROTRANS (realizzazione di prototipi di acceleratori superconduttivi per protoni per il

trattamento delle scorie radioattive)

• ILC (International Linear Collider elettrone-positrone)

Schema del FEL (FLASH-Desy)

cavità RF s.c. (700MHz) per protoni

cavità RF superconduttive ( 1.3GHz)

Riferimenti:

Prof. Pagani

Dott. Sertore (INFN)

Dott.Michelato (INFN)

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3. Acceleratori a plasma con utilizzo laser di potenza:

Riferimenti:

Dott. Giove (INFN)

Dott. Serafini (INFN) Dott. Bacci (INFN)

Dott. Andrea Rossi (INFN) Dott.ssa Petrillo (Unimi)

Principio base emissione da laser

Applicazioni alla terapia medica

Motivazione acceleratori a plasma

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• L’indirizzo di Fisica degli Acceleratori prevede una sistematica

descrizione dei principi di funzionamento e dei vari tipi di

acceleratori (corso Fisica Acceleratori I)

• Particolare enfasi sulla superconduttività che è oggi dominante

negli acceleratori ultima generazione (LHC-CERN, XFEL-DESY)

(corso Superconduttività Applicata e Laboratorio di

Superconduttività Applicata )

• Tecniche di accelerazione e diagnostica (Laboratorio Acceleratori)

• Diversi orientamenti possibili (dinamica dei fasci; tecnologie

superconduttive, del vuoto e criogeniche; tecniche di accelerazione;

progettazione di componenti speciali; sorgenti di elettroni)

Organizzazione del percorso nella Laurea Magistrale

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I ANNO

PRIMO SEMESTRE TIPOLOGIA SECONDO SEMESTRE TIPOLOGIA

Elettrodinamica Classica (obbligatorio) A Fisica degli Acceleratori I A

Metodi Matematici della Fisica:

equazioni differenziali 1

(o altro corso di ambito disciplinare B)

B Superconduttività Applicata A

-Lab. di Fisica degli Acceleratori

(in anni solari dispari)

-Lab. di Superconduttività Applicata

(in anni solari pari)

C Corso a scelta tra affini e

integrativi

AFF

Elementi di Fisica dei Continui

(o altro corso di ambito disciplinare D)

D Corso a scelta tra affini e

integrativi

AFF

Corso a scelta libera, suggerendo tra:

-Fisica Nucleare

-Fisica delle Particelle

-Interazione e rivelazione della

radiazione nucleare

Corso a scelta libera

TOTALE CFU 30 TOTALE CFU 30

Abbreviazioni:

(A) Caratterizzante – Ambito “Sperimentale applicativo”

(B) Caratterizzante – Ambito “Teorico e dei Fondamenti della Fisica”

(C) Caratterizzante – Ambito “Microfisico e della Struttura della Materia”

(D) Caratterizzante – Ambito “Astrofisico, Geofisico e Spaziale”

(AFF) Corsi Affini e integrativi

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II ANNO

Tabella AFF – Corsi affini o integrativi a scelta proposti

Fondamenti di energetica Elettronica 1

Fisica dei solidi 1 Elettronica dei sistemi digitali

Laboratorio di fisica dei laser 1 Elettronica 2

Radioattività Laboratorio di elettronica analogica

Fenomenologia del Modello Standard delle part. Elem. Fisica dei dispositivi elettronici

Fisica nucleare Laboratorio di fisica delle particelle

Fisica sanitaria Lab. di fisica dei plasmi

Rivelatori e tecniche fisica nucleare Fisica dei plasmi e della fusione controllata

PRIMO SEMESTRE TIPOLOGIA SECONDO SEMESTRE TIPOLOGIA

-Lab. di Fisica degli Acceleratori

(in anni solari dispari)

-Lab. di Superconduttività Applicata

(in anni solari pari)

C Tesi di Laurea 42 CFU

Corso a scelta tra affini e integrativi AFF Preparazione Tesi 3 CFU

Abilità informatiche e

telematiche

3 CFU

TOTALE CFU 12 TOTALE CFU 48

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Temi principali nei corsi caratterizzanti:

Fisica degli acceleratori (Prof. Bellomo)

– Descrizione generali degli acceleratori (elettrostatici, a induzione, circolari, lineari)

– Elementi di accelerazione e focalizzazione dei fasci di particelle

– Matrici di trasferimento

– Colliders e luminosità.

Superconduttività Applicata (Prof. Sorbi) – Elementi di termodinamica applicata alla produzione del freddo e alla liquefazione dei gas

– Fenomenologia della superconduttività e sua descrizione con strumenti della termodinamica

– Instabilità e dissipazioni dei superconduttori

– Applicazioni della superconduttività ai magneti per acceleratori circolari

Laboratorio di Fisica degli Acceleratori (Dr. Bosotti - INFN)

– Misure delle caratteristiche di cavità elettromagnetiche risonanti per acceleratori

– Tecniche diagnostiche dei fasci

Laboratorio di Superconduttività Applicata (Personale INFN) – Utilizzo di apparati a bassissime temperature e ad alto vuoto

– Misure criogeniche di proprietà caratterizzanti materiali superconduttivi

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Sbocchi professionali post-laurea

1. Per chi desiderasse rimanere nell’ambito della ricerca:

- Dottorati sui temi di ricerca per lo studio di nuovi acceleratori

- PhD presso i laboratori di ricerca internazionali - CERN,

DESY, FERMILAB (USA), Bercley (USA), CEA (Parigi)

2. Ottima collocazione nell’industria o nei servizi, dove

viene apprezzato il lavoro di alto livello scientifico,

tecnico e di coordinazione svolto durante la tesi.