Il Vuoto Fisicofontana/ · 2020. 10. 11. · Il vuoto nelle grandi macchine della ricerca • Il...
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Il Vuoto Fisico
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Programma del corso
Lezioni frontali:
• Fondamenti di teoria cinetica dei gas in diversi regimi di flusso (viscoso e molecolare)• Conduttanza, velocità e tempi di pompaggio • Descrizione delle principali caratteristiche dei sistemi da vuoto ideali e reali • Princìpi di funzionamento dei più comuni tipi di pompe e di sensori da vuoto• Residual Gas Analyzer
Esperienze di laboratorio
• Misura della velocità di pompaggio in regime viscoso• Misura della velocità di pompaggio in regime molecolare• Calcolo e misura di conduttanze (legge di Ohm del vuoto)• Misure di degasamento (con bake-out)• Studio della composizione del gas residuo con Residual Gas Analyzer• Analisi e interpretazione dei dati RGA
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Sito web
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Varie definizioni:
• Ideale
– Metafisica classica: uno spazio che non contiene niente
• Reale
– Qualunque cosa abbia una pressione inferiore alla pressione atmosferica
• In pratica
– Qualsiasi volume che abbia un numero di molecole di gas per unità di volume
inferiore a quello dell’atmosfera che ci circonda
Che cosa è il vuoto?
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Un libro interessante
Bibliografia alla fine…
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Il Vuoto: Magdeburgo
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Tipico sistema da vuoto
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Schema semplificato
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Il vuoto nelle grandi macchine della ricerca
• Il più potente acceleratore di particelle: LHC
• Gli interferometri per onde gravitazionali: LIGO e VIRGO
• Prossimo reattore per la fusione nucleare calda: ITER
…ma anche in molti rivelatori (PMT, HPGE…) e criostati di tutti i laboratori di Fisica!
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LHC ha la particolarità di non avere uno solo, ma tre sistemi di vuoto:
1. vuoto per i due fasci di protoni,
2. vuoto di isolamento termico per i magneti
superconduttori,
3. vuoto di isolamento termico per la linea di distribuzione
dell’elio liquido.
Il più potente acceleratore di particelle: LHC
È necessario un ultra-alto-vuoto per i tubi in cui i fasci di particelle si
muovono. Poiché i tubi del fascio sono raffreddati a temperature
estremamente basse, essi costituiscono una criopompa quasi
perfetta ed i gas si condensano e aderiscono alle pareti molto
facilmente.
Appena due settimane di pompaggio sono necessarie per portare la
pressione a valori inferiori a 10-10 mbar.
In LHC il vuoto arriva a circa 10-10 mbar nel tubo del fascio a
temperatura criogenica ed a 10-11 mbar vicino ai punti di interazione
dove si verificano le collisioni che si vogliono studiare. Questi livelli di
pressione sono circa cento volte inferiori a quelli dell’atmosfera
lunare; LHC è in effetti lo spazio più vuoto del sistema solare.
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Gli interferometri per onde gravitazionali: LIGO e VIRGO
L’area centrale, il cuore dell’interferometro è un immenso tavolo
ottico sotto ultra-alto-vuoto. Ogni elemento ottico è sospeso ad un
sistema di isolamento sismico contenuto in una torre da vuoto. Le
torri contengono delle cavità Fabry-Perot e sono connesse tra loro
da tubi a vuoto.
Ci sono voluti 40 giorni di pompaggio costante per evacuare i
colossali tubi fino alla loro pressione operativa. In questo tempo, le
pompe turbomolecolari hanno rimosso la maggior parte dell’aria nei
tubi mentre i tubi stessi sono stati riscaldati a 150-170 C per
rimuovere i gas residui delle pareti interne.
Il mantenimento di questo vuoto richiede il funzionamento costante
di pompe ioniche, che estraggono le molecole fuoriuscite dai tubi e
dalle altre strutture all’interno dei sistemi di vuoto, e di criopompe a
corrente liquida che rimuovono le molecole di acqua.
Per raggiungere i bassissimi valori di pressione richiesti sono stati
sviluppati processi metallurgici speciali per la fabbricazione dei
componenti, come il desorbimento dell’idrogeno a 400 C
I componenti ottici di questi enormi interferometri
sono collocati in tubi a vuoto dal diametro superiore
al metro e di lunghezza di alcuni chilometri, per un
volume di circa una decina di migliaia di metri cubi,
e tenuti a pressioni dell’ordine di 10-9 mbar.
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ITER è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è
ottenuto in un campo magnetico generato da un magnete superconduttore
all’interno di una macchina a ciambella denominata Tokamak.
La ciambella sottovuoto, ed il criostato per il magnete di ITER, sono tra i più
grandi sistemi di vuoto mai costruiti con i rispettivi volumi di 1.400 m3 e di
8.500 m3 e pressioni di 10-8 mbar e < 10-6 mbar. Saranno necessarie
tecniche sofisticate per il monitoraggio e la manutenzione di questi sistemi.
Una volta in esercizio, non sarà più possibile accedere alla macchina.
Prima di iniziare la reazione di fusione è necessario eseguire il pompaggio a
vuoto per eliminare tutte le sorgenti di molecole organiche che altrimenti
sarebbero dissociate nel plasma caldo. Pompe meccaniche e pompe
criogeniche potenti devono evacuare l’aria dalla ciambella e dal criostato
fino a quando la pressione interna è scesa ai livelli richiesti.
Considerando il volumedi ITER, questa operazione richiederà 24-48 ore.
Prossimo reattore per la fusione nucleare calda: ITER
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…ma anche in detectors di uso corrente
PMT SiPM
HPGE
Problema del leakage di He
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…ma anche in detectors di uso corrente
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Pesi/diametri molecolari dei gas
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Libero cammino medio
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Libero cammino medio
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Flussi di gas
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Mantenere il vuoto
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Mantenere il vuoto
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Trattazione formale
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Regime viscoso
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Regime viscoso
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Regime molecolare
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Mantenere il vuoto
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Le 3 regole della Fisica del vuoto
1. Pompare
2. Scaldare
3. Aspettare…
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Dal sito AVS. VTD - Vacuum Technology Information
https://www.avs.org/Divisions/vtd/Vacuum-Technology-Information