Magneti per acceleratori

Gli acceleratori di particelle sono necessari per investigare due argomenti di ricerca fondamentali e strettamente correlati fra loro. Il primo è relativo alla fisica delle particelle, e mira a dare una risposta a domande basilari quali: “cosa è la materia?”, “quali sono i suoi componenti ultimi?” e “che tipo di interazioni esistono tra le particelle?”. Il secondo è relativo alla astronomia, ed è finalizzato a ricreare con collisioni ad alta energia le stesse condizioni esistenti nei primi istanti dell’origine dell’universo, immediatamente dopo il “Big Bang”. Le domande cui si cerca risposta sono le seguenti: “come era la materia in quegli istanti?”, e “come si sono unite le particelle fondamentali per creare gli atomi, le stelle, le galassie, come le osserviamo oggi?”.

Acceleratore sotterraneo del CERN

Esistono due tipi di acceleratori: lineari e circolari. Tutti i fasci di particelle iniziano la loro accelerazione in acceleratori lineari, ma la necessità di raggiungere energie elevatissime richiederebbe acceleratori lineari di lunghezza inaccettabile, cosicché la soluzione preferita è quella di fare ruotare fasci di particelle in acceleratori circolari (anelli di accumulo) fino al raggiungimento dell’energia desiderata. La circonferenza dell’acceleratore LHC (Large Hadron Collider) in costruzione presso il CERN di Ginevra è lunga 27 Km.

In qualunque tipo di acceleratore esiste una linea, l’orbita di progetto, sulla quale idealmente si dovrebbero muovere tutte le particelle. Se questa orbita è curva, come negli acceleratori circolari, è necessario applicare alle particelle delle forze centripete. In realtà, la maggior parte delle particelle di un fascio deviano dalla orbita di progetto, rendendo necessarie anche forze che contribuiscono alla collimazione del fascio.

Forza di Lorentz agente su particelle cariche

Sia le forze necessarie per la curvatura sia quelle necessarie per la collimazione del fascio sono ottenute tramite campi elettromagnetici. In particolare per la curvatura è sufficiente sfruttare la forza di Lorentz dovuta ad un campo magnetico diretto ortogonalmente all’asse del fascio.

Magnete superconduttore per LHC

Essendo la velocità delle particelle estremamente elevata, sono necessarie forze di Lorentz molto elevate, e quindi campi magnetici molto intensi. Tali campi magnetici possono essere realizzati in modo conveniente dal punto di vista energetico solo tramite magneti superconduttori, che consentono una enorme riduzione della potenza richiesta agli alimentatori.

Durante il funzionamento dell’acceleratore, per mantenere le particelle sull’orbita di progetto, all’aumento della loro velocità deve essere fatto corrispondere un adeguato aumento del campo magnetico. Per questo motivo il naturale funzionamento dei magneti superconduttori per acceleratori è di tipo dinamico.

La elettrodinamica dei magneti superconduttori viene studiata presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica in stretta collaborazione con la divisione LHC (Large Hadron Collider) del CERN di Ginevra e con il Fermilab di Chicago. I codici di calcolo per lo studio dei magneti superconduttori sono stati sviluppati in collaborazione con Cryosoft.

Sono stati in particolare sviluppati codici di calcolo e formule analitiche per la valutazione delle perdite in corrente alternata e la distribuzione di corrente nei cavi di tipo Rutherford utilizzati per avvolgere i magneti per acceleratori.

Sono disponibili presso il Laboratorio di Superconduttività Applicata tesi inerenti lo studio della elettrodinamica dei magneti superconduttori per acceleratori, con possibilità di trascorrere un periodo di ricerca all’estero presso la divisione LHC del CERN di Ginevra.

Bibliografia

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