ACCELERATOR PHYSICS AND APPLICATIONS

Il corso si propone di dare agli studenti una approfondita conoscenza di tutti i principi di Fisica su cui si basa il unzionamneto degli acceratori di particelle e dimostrare in dettaglio la tecnologia che permette di realizzare queste macchina. Saranno anche mostrati le applicazioni degli accelaratori 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 della dinamica del moto di fasci di ellettroni e ioni in acceleratori circolari e linerai Comprensione

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

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

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 delli 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 conosceze e della

capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo della fisica degli accelratori, dei plasmi e delle tecniche avavnzate di medicina basate su acceleratori di particelle (Radiologia, medicina nucleare e radioterapia oncologica) che nel campo della dosimetria clinica.

lezioni frontali in aula

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

Di norma obbligatoria.

Se concordato con gli studenti e/o in presenza di studenti stranieri, frequentanti nell’ambito di accordi

Erasmus o di accordi quadro internazionali, il corso sarà tenuto in lingua inglese.

Campi elettrici e campi magnetici: Il campo elettromagnetico. Equazioni del moto di particelle cariche in campi magnetici. Leggi della focalizzione di fasci particelle. Cavità radio frequenza. Ssitemi di produzione e trasmissione di onde elettromagnetiche. Stabilità delle onde elettromagnetiche.

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.

Interazione della radiazione e delle particelle con la materia 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.

Accelerazioni di particelle basati su laser di alta potenza: Punti di vista Euleriano e Lagrangiano. Forze agenti su unInterazione laser materia.Formazione di plasmi ad alta temperatura. Produzione di onde di plasma e accelrazione di elettroni e ioni in plasmi ad alta temperatura.

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.

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)

1) F.H. Attix "Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry" Wiley VCH

2) Leo W.R. "Techniques for Nuclear and Partcle Physics Experiments" Springer and Verla, 2nd Ed.

3) G.F. Knoll, " Radiation Detection and Measurements" John Wiley & Sons, 3rd Ed.

4) J.J. Livingood, " Principls of cyclic particle accelerators", D. Van Nostrand Comp. INC.

5) P.J. Bryant, "Introduction to Transfer Lines and Circular Machines" CERN accellerators School, CERN 84-04

6) H.E. Jones, "The Physics of Radiology", C. Thomas Publisher, 1983

7) K.Q. Zhang and D.J. Li, "Electromagnetic Theory for Microwaves and Optoelectronics", 2nd edition, Springer Press, N.Y. 2008

8) CAS Cern Accelerator School, " Cyclotrons, linacs and Their application", 96-02

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

correlazione le varie parti del programma.

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