Sincrotrone
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Il sincrotrone è un tipo di acceleratore di particelle circolare e ciclico, in cui il campo magnetico (necessario per curvare la traiettoria delle particelle) e il campo elettrico variabile (che accelera le particelle) sono sincronizzati con il fascio delle particelle stesse.
Indice |
[modifica] Tipi di sincrotrone
Esistono due tipi distinti di sincrotrone, che si differenziano per l'uso a cui vengono destinati:
- i sincrotroni per lo studio della fisica nucleare sono costruiti in modo da accelerare e far collidere tra loro particelle nucleari e subnucleari;
- i sincrotroni per lo studio della fisica dello stato solido e delle superfici sono costruiti in modo da produrre radiazione elettromagnetica.
[modifica] Sincrotroni per lo studio della fisica subnucleare
I sincrotroni per lo studio della fisica delle particelle elementari sono costruiti in modo da produrre eventi caratteristici della fisica subnucleare. Per questo motivo accelerano delle particelle, solitamente elettroni e positroni, oppure protoni e anti-protoni a velocità prossime a quella della luce.
I macchinari di questo tipo erano estremamente diffusi negli anni cinquanta e sessanta quando la ricerca della fisica nucleare era al suo apice. Oggi le energie richieste per lo studio approfondito della fisica nucleare sono talmente elevate da permettere la costruzione di pochissimi acceleratori competitivi in tutto il mondo.
Di conseguenza non si utilizza più il termine "sincrotrone" per riferirsi agli acceleratori per la fisica subnucleare che vengono piuttosto indicati con il termine inglese collider (collisore).
Uno dei primi grandi sincrotroni ancora operativi è il Bevatron del Lawrence Berkeley Laboratory, costruito nel 1950. È così chiamato perché la sua energia è dell'ordine dei 6,3 Gigaelettronvolt, che in inglese era in passato espresso come 6,3 Billion of eletronvolts. Con questa macchina sono stati creati elementi chimici artificiali previsti dalla tavola periodica. In questi stessi laboratori è installata anche una delle prime camere a bolle utilizzata per esaminare le particelle generate dagli scontri tra atomi prodotti con l'acceleratore.
Il più grande dispositivo di questo tipo proposto è il Superconducting Super Collider (SSC), che si sarebbe dovuto costruire negli Stati Uniti e avrebbe utilizzato magneti superconduttori. Il progetto, già in fase di costruzione fu annullato dal governo per gli eccessivi costi.
Gli sforzi mondiali si sono ora concentrati sulla costruzione del grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider) al CERN, in Europa. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le tecnologie accessorie (superconduzione, refrigerazione, rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina, che sarà completata nel 2007, potrà impartire alle particelle un'energia di ben 14 Teraelettronvolt (1 Tera = 1012).
Il Italia è stato operativo un sincrotrone di questo tipo presso il laboratorio INFN di Frascati.
[modifica] Funzionamento
Il sincrotrone deriva dal ciclotrone, nel quale è utilizzato un campo magnetico costante ed un campo elettrico alternato a frequenza costante. Una variante è in sincrociclotrone, dove il campo magnetico oppure la frequenza del campo elettrico sono variabili in funzione dell'aumentare dell'energia posseduta dalle particelle.
Nel sincrotrone, entrambi i campi sono controllati in modo da mantenere l'orbita del fascio di particelle all'interno di un contenitore a forma di toro (la forma di una ciambella col buco) all'interno del quale sia stato praticato il vuoto.
Nella pratica, per macchine di raggio maggiore, vengono usate brevi sezioni diritte, per cui la forma complessiva è poligonale con spigoli arrotondati. Ad ogni angolo è presente un magnete per curvare la traiettoria del fascio.
L'energia massima ottenibile da un acceleratore circolare è limitata dall'intensità dei campi magnetici e dal raggio massimo dell'orbita delle particelle.
Nel ciclotrone il raggio è limitato dalla dimensione della camera cilindrica in cui le particelle si allargano a spirale dal centro. Il campo magnetico prodotto da un magnete ordinario è limitata dalla saturazione del materiale, raggiunta quando tutti i domini magnetici sono allineati. La disposizione di coppie di magneti ordinari lungo tutta la traiettoria di un acceleratore comporterebbe costi elevati.
Nei sincrotroni queste limitazioni sono superate utilizzando fasci molto stretti focalizzati da magneti piccoli ma il cui campo è molto focalizzato. Il limite di energia applicabile al fascio è determinato dal fatto che una particella carica soggetta ad accelerazione emette energia sotto forma di fotoni. Quando l'energia perduta per emissione elettromagnetica equivale a quella fornita ad ogni ciclo, il fascio non può essere ulteriormente accelerato. Questo limite viene aumentato costruendo acceleratori di raggio maggiore e aggiungendo ad ogni tratto rettilineo numerose cavità a microonde in grado di accelerare ulteriormente il fascio. Le particelle più leggere (per esempio gli elettroni) perdono una frazione maggiore di energia, per questo negli acceleratori maggiori vengono usate particelle cariche pesanti, come protoni e nuclei atomici.
[modifica] Sincrotroni per la produzione di radiazione
La maggio parte dei sincrotroni in funzione oggi vengono usati per la produzione di raggi x collimati e relativamente monocromatici, la cosiddetta radiazione di sincrotrone.
Da un punto di vista pratico i sincrotroni sono l'evoluzione delle macchina per la produzione di raggi x a catodo in uso fin dall'inizio del ventesimo secolo. La radiazione viene utilizzata per lo studio della fisica dello stato solido e delle superfici.
[modifica] Funzionamento
Questi macchinari sono molto più piccoli e relativamente meno costosi dei moderni collisori in quanto funzionano solitamete a energia molto più bassa, dell'ordine di qualche gigaelettronvolt. Inoltre utilizzano sempre elettroni perché la loro energia può essere controllata con maggior precisione.
I primi sincrotroni avevano una struttura uguale a quella dei colissori ma, in corrispondenza delle curve dell'anello di accumulazione, dove l'accelerazione subita dagli elettroni provoca l'emissione di radiazione, erano presenti delle finestre da cui la radiazione veniva estratta e trasportata alle camere sperimentali.
I sincrotroni di nuova generazione, costruiti a partire dagli anni novanta, sono invece molto diversi dai collisori in quanto contengono dei sistemi di magneti progettati in modo da stimolare la produzione di radiazione elettromagnetica. Questi sitemi, detti ondulatori forzano gli elettroni a percorrere delle traiettorie sinusoidali o a spirale; permettono la produzione di luce molto più collimata e persino polarizzata circolarmente nella maniera desiderata.
In Italia il più potente sincrotrone operativo è quello installato nell'AREA science park di Trieste. La macchina fa parte del complesso ELETTRA, in grado di produrre fasci con energia di 2-2,4 Gev, a disposizione della comunità scientifica internazionale per esperienze in molti campi della fisica, della chimica e dell'ingegneria dei materiali.
[modifica] Applicazioni
La radiazione elettromagnetica prodotta dall'accelerazione di particelle cariche all'interno del sincrotrone è chiamata Radiazione di sincrotrone ed ha diversi utilizzi.
- Cristallografia di proteine e grandi molecole organiche e non
- Analisi chimiche per determinazioni di composizione
- Osservazione di cellule viventi e le loro interazioni molecolari
- Incisione di chip elettronici
- Analisi e controllo di semiconduttori
- Studi di fluorescenza
- Individuazione di droga
- Analisi di materiali in geologia
- Diagnosi per immagini in medicina
[modifica] Elenco dei principali sincrotroni
- Advanced Light Source (ALS), Berkeley, California
- Advanced Photon Source (APS), Argonne, Illinois, USA
- ANKA Synchrotron Strahlungsquelle, Karlsruhe, Germania
- Australian Synchrotron, Melbourne, Australia (In costruzione)
- Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), Pechino, Cina
- Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY), Berlino
- Canadian Light Source (CLS), Saskatoon, Canada
- Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD), Baton Rouge, Louisiana, USA
- Center for Advanced Technology (INDUS-1 and INDUS-2), Indore, India
- Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), Ithaca, New York, USA
- Diamond, Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Inghilterra
- Dortmund Electron Test Accelerator (DELTA), Dortmund, Germania
- Electron Stretcher Accelerator (ELSA), Bonn, Germania
- Electrotechnical Laboratory (ETL) Electron Accelerator Facility (NIJI-II, NIJI-IV, TERAS), *Tsukuba, Giappone
- Elettra Synchrotron Light Source, Basovizza, Trieste, Italia
- European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble, Francia
- Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) at DESY, Amburgo, Germania
- Institute for Storage Ring Facilities (ISA, ASTRID), Aarhus, Danimarca
- Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique (LURE), Orsay, Francia
- Laboratorio de Luz Sincrotrón, Vallés, Spagna
- Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) San Paolo, Brasile
- MAX-lab, Lund, Svezia
- Nano-hana Project, Ichihara, Giappone
- National Synchrotron Light Source (NSLS), Brookhaven, New York, USA
- National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL), Hefei, Cina
- National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC), Hsinchu, Taiwan, R.O.C
- National Synchrotron Research Center (NSRC), Nakhon Ratchasima, Tailandia
- Photon Factory (PF) at KEK, Tsukuba, Giappone
- Pohang Accelerator Laboratory, Pohang, Corea
- Siberian Synchrotron Radiation Centre (SSRC), Istituto di fisica nucleare Budker, Novosibirsk, Russia
- Singapore Synchrotron Light Source (SSLS), Singapore
- SOLEIL Synchrotron, Saint-Aubin, Francia
- Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL), Menlo Park, California, USA
- Super Photon Ring - 8 GeV (SPring8), Nishi-Harima, Giappone
- Swiss Light Source (SLS), Villigen, Svizzera
- Synchrotron Light Laboratory (LLS), Barcellona, Spagna
- Synchrotron Radiation Center (SRC), Madison, Wisconsin, USA
- Synchrotron Radiation Source (SRS), Daresbury, Gran Bretagna
- Synchrotron Ultraviolet Radiation Facilty (SURF III) presso il NIST, Gaithersburg, Maryland, USA
- UVSOR Facility, Okazaki, Giappone
- VSX Light Source, Kashiwa, Giappone
