Studio di un dispositivo di diagnostica a deflessione indiretta per fasci di ioni ordinati

Negli ultimi anni, grande interesse ha suscitato lo studio del comportamento di un nuovo stato della materia in cui gli ioni vengono confinati per mezzo di campi macroscopici prodotti da elementi magnetici o elettrici, statici o a radiofrequenza, in contrapposizione ai campi coulombiani generati dagli ioni stessi.

In questo stato della materia, le distanze interioniche caratteristiche sono dell'ordine di alcune decine di micrometri.
Alla fine del secolo XX, sono stati ottenuti esempi sperimentali di ordinamento in trappole per ioni. In tale stato, gli ioni si ordinano, in funzione della densità delle particelle, in strutture sempre più complesse, a partire da strutture lineari monodimensionali, dette stringhe, fino ad assestarsi in strutture a più gusci cilindrici.

La possibilità di realizzare questo stato della materia anche con particelle accelerate potrebbe aprire delle prospettive tecnologiche di grande interesse; a questo proposito è stato promosso lo studio di fattibilità di un anello di accumulazione per ioni, CRYSTAL, espressamente finalizzato alla produzione e allo studio di fasci ordinati, detti anche freddi o cristallini .

Il progetto ha come elementi caratterizzanti l'alta simmetria della macchina, un avanzamento di fase betatronica per cella minore di 90°, differenti sistemi di raffreddamento trasversale e longitudinale - a elettroni e a laser - e sistemi innovativi di diagnostica.

In particolare, i sistemi diagnostici per la fase ordinata sono elementi cruciali per il successo di questo tipo di progetto.

Fra i vari tipi di diagnostica proposti, la visualizzazione con deflessione diretta o indiretta degli ioni della struttura 'cristallina' si pone come un elemento di prova certa del raggiungimento dello stato ordinato.
In particolare, le tecniche di deflessione nel piano trasversale sono le uniche che permettono di raggiungere le risoluzioni temporali necessarie, ossia alcuni picosecondi, per evidenziare la struttura longitudinale dei fasci ordinati.

La visualizzazione diretta degli ioni ordinati comporta l'impiego di strutture di deflessione molto rapide e di elevata potenza di picco. Una possibile alternativa è rappresentata dalla conversione degli ioni ordinati in particelle più leggere come gli elettroni, sulle quali viene poi operata la deflessione.

Il lavoro realizzato per questa tesi è appunto incentrato sulla realizzazione di un dispositivo di conversione ione-elettroni e sullo studio del mantenimento della correlazione temporale tra gli ioni incidenti e gli elettroni prodotti dal dispositivo stesso.

Nel Capitolo 1 si introduce l'argomento dei fasci ordinati o cristallini. Qui si parla dei sistemi diagnostici rispetto ai quali la deflessione indiretta, argomento centrale di questo lavoro di tesi, rappresenta un'alternativa.

Il Capitolo 2 tratta invece il problema della conversione ione-elettroni, ottenuta attraverso l'emissione elettronica secondaria di un sottile foglio di carbonio, se attraversato dallo ione. In questo capitolo, inoltre, si discute della deflessione rapida degli elettroni secondari, prodotti da ioni e ad essi correlati, e dei sistemi tecnologici attualmente in uso per ottenerla e ottimizzarla.

Il Capitolo 3 descrive il fenomeno dell'emissione di elettroni secondari da parte del carbonio, rivolgendo specialmente l'attenzione alla distribuzione energetica delle particelle emesse.


Per questo lavoro di tesi è stata approntata una simulazione con il metodo Monte Carlo, descritta nel Capitolo 4, finalizzata a valutare l'ordine di grandezza della dispersione temporale dell'emissione degli elettroni da parte del carbonio. In questa modellizzazione, attraverso opportune semplificazioni, viene simulata la ionizzazione di un atomo di carbonio ad opera di uno ione incidente, nonché il trasporto entro il mezzo dell'elettrone rimosso fino al raggiungimento, da parte di quest'ultimo, della superficie del foglio.

Per studiare operativamente la correlazione temporale esistente tra il passaggio di uno ione entro il foglio di carbonio e l'emissione di elettroni secondari ad opera del proiettile, è stato progettato e realizzato il dispositivo descritto nel Capitolo 5. Qui viene pure discussa la catena elettronica per acquisire sperimentalmente i dati sulla correlazione temporale.
Sempre in questa sezione, si trova la descrizione del prototipo, in via di realizzazione, di un innovativo convertitore tempo-ampiezza (Time to Amplitude Converter, TAC) dotato, in opportune condizioni operative, di un potere risolutivo temporale inferiore al picosecondo.


Infine, il Capitolo conclusivo di questa tesi riporta gli spettri della dispersione temporale tra ione incidente ed elettroni secondari prodotti e ad esso correlati, misure ottenute esponendo il foglietto di conversione a un fascio di particelle 4He+ a 4 MeV presso l'acceleratore CN dei Laboratori Nazionali di Legnaro (PD).

TESI