Fis. - Macchina acceleratrice di particelle, appartenente
alla classe degli
acceleratori circolari, adatta ad accelerare protoni,
deuteroni, particelle α (nuclei di elio) e anche
atomi di metalli pesanti ionizzati. Il principio di funzionamento di questa
macchina è dovuto ad E.O. Lawrence, dell'università della
California (USA), che lo espose nel 1930; l'anno seguente questo ricercatore, in
collaborazione con altri, costruì la prima macchina di questo tipo che
accelerava protoni fino ad una energia di 1 MeV circa (mega-elettronvolt,
cioè un milione di elettron-volt). Basilarmente un
c. è
costituito da una camera a vuoto in cui viene praticato un vuoto molto spinto
(10
-5 o meno mm di mercurio di pressione residua). In questa camera
sono alloggiati due elettrodi, aventi una caratteristica forma a D, fra i quali
viene applicata la tensione (alternata) che ha la funzione di accelerare le
particelle. La camera a vuoto ha la forma di un cilindro con altezza molto
piccola rispetto al diametro; sulle sue basi sono poste le espansioni polari di
un grande magnete che genera un forte campo magnetico costante, destinato a
mantenere le particelle accelerate su un'orbita circolare o, in presenza di
accelerazione, su un'orbita a spirale piana. Tra i due elettrodi a D è
applicata una tensione alternata a frequenza costante, di valore molto elevato e
di forma d'onda pressoché sinusoidale. Le particelle sono generate, al
centro della camera a vuoto, con un dispositivo opportuno; solitamente è
un arco elettrico in un gas che dipende dal tipo di particelle che si vogliono
produrre. Le particelle qui generate, per effetto del campo magnetico sopra
detto e della differenza di potenziale fra i due elettrodi a D, si posizionano
su un'orbita a spirale piana (approssimativamente); nel passaggio da un
elettrodo all'altro esse quindi subiscono un'accelerazione dovuta alla
differenza di potenziale fra i due elettrodi; dato che questa è
alternata, le particelle tendono a stabilizzarsi su un'
orbita sincrona,
cioè a passare da un elettrodo all'altro nell'istante in cui il campo
alternato si trova nel senso di accelerarle. È questa la cosiddetta
condizione di risonanza del c.: le particelle che la rispettano si
trovano a passare nel tratto libero fra i due elettrodi sempre nella stessa fase
con la tensione alternata, e quindi ogni passaggio incrementa la loro energia.
Perché ciò si verifichi occorre che il tempo impiegato dalla
particella a percorrere l'arco di circonferenza posto entro ognuno dei due
elettrodi a D sia esattamente uguale al tempo di inversione del campo: questo si
ottiene se la particella si sposta man mano che aumenta la sua velocità
(e quindi la sua energia) su un'orbita sempre più larga, in modo da
percorrere una traiettoria più lunga: ciò equivale a dire che essa
deve seguire una spirale di parametri opportuni. Se V
1 è la
differenza di potenziale fra i due elettrodi nell'istante in cui la particella
si trova nello spazio intermedio fra essi, l'incremento di energia che subisce
in quel passaggio
sarà:
ΔE
=
e·n·V
1in cui
E è l'energia posseduta dalla particella, che viene incrementata di
ΔE,
e è la carica dell'elettrone
(in valore assoluto),
n è un numero intero che esprime di quante
volte la carica della particella considerata è multipla di
e e
V
1 ha il significato detto. È ovvio che V può essere al
massimo uguale al valore di picco della tensione alternata applicata ai due
elettrodi; questa condizione si verifica però solo per un certo numero di
particelle. Per altre la V sarà senz'altro minore della tensione di
picco; al limite, se la particella è sfasata di un quarto di periodo, la
V che essa trova è nulla. Questa particella si dispone su un'orbita
circolare, non viene più accelerata tangenzialmente ma solo radialmente
(per tenerla sull'orbita circolare) e, in teoria, continuerebbe a ruotare
indefinitivamente. In pratica si perde per diversi motivi dopo un certo tempo.
In teoria si potrebbe pensare di far compiere alle particelle che si mantengono
in fase un numero molto più alto di giri, in modo che sommando molti
ΔE l'energia finale sia molto elevata. In pratica
diversi fattori limitano questa possibilità. Innanzi tutto la
focalizzazione del raggio viene meno, cioè il fascio di particelle si
allarga, mentre nelle esperienze che si vogliono condurre è molto
importante avere un raggio ben focalizzato. Un secondo fattore limitativo per le
potenze raggiungibili è dato dalla legge della relatività.
L'aumento delle energie cinetiche delle particelle si realizza come aumento di
velocità; in molti casi si giunge a frazioni apprezzabili della
velocità della luce. Si sa però dalla trattazione di Einstein che
all'aumentare della velocità di un qualsiasi corpo aumenta anche la sua
massa, e quindi occorre una forza sempre maggiore per imprimergli una certa
accelerazione. Inoltre il campo magnetico generato dalle espansioni polari del
magnete non è uniforme, ma leggermente decrescente secondo il raggio; ne
consegue che le orbite e la condizione di risonanza sono sempre più
difficili da mantenere man mano che ci si avvicina alla periferia della camera a
vuoto. Per tutti questi motivi l'energia massima che si può comunicare
alle particelle è limitata: nei
c. semplici più potenti si
giungeva a non più di 25 MeV per i deuteroni e a circa 40 MeV per le
particelle α (o elioni). Per ovviare agli
inconvenienti presentati dal
c., che ne limitano le prestazioni in
potenza, sono state successivamente messe a punto delle macchine acceleratrici
di particelle cosiddette
sincrone, nelle quali la frequenza della
tensione applicata agli elettrodi è variabile in modo opportuno. Queste
macchine prendono diversi nomi quali
sincrotone, sincrociclotrone,
protosincrotone, elettrosincrotone, ecc. Il
c. però presenta
proprietà interessanti per diversi motivi, primi fra i quali l'elevata
corrente ottenibile (fino a 250 milliampère) e il fatto che il fascio
è continuo e non impulsivo come sulla maggior parte delle macchine. I
tentativi di miglioramento del
c. per superare le limitazioni sopra
riportate hanno dato luogo ad una nuova generazione di
c., detti
c.
isocroni o
AVF (dall'inglese
Azimuthally Varying Field,
cioè campo magnetico variante azimutalmente). In questi
c. le
espansioni polari dei magneti che stanno sulle basi della camera a vuoto non
sono piane ma opportunamente sagomate a settori sporgenti e rientranti, detti
rispettivamente
creste e
valli; in questo modo si compensa
parzialmente l'influsso dell'aumento relativistico di massa sull'orbita delle
particelle. Ciò consente di ottenere dei fasci di particelle aventi
energia anche di 100 MeV e più, pur conservando un fascio continuo con
intensità di corrente di qualche centinaio di milliampère.
È stato messo a punto anche un piccolo
c. per l'accelerazione di
elettroni, che è detto
microtrone
(V.). Fra i
c., merita di essere ricordato
il
c. ad orbite separate o
SOC, che è di costruzione
completamente diversa. In questo infatti la cavità in cui si è
fatto il vuoto e nella quale si muovono gli elettroni è costruito a forma
di spirale; attorno ad essa sono posti dei magneti e l'accelerazione avviene
nelle cavità risonanti in modo identico a quello proprio degli
acceleratori lineari. Il SOC anzi può essere considerato un acceleratore
lineare a spirale; sugli acceleratori lineari veri e propri esso presenta
però il vantaggio di un'estensione molto minore e la possibilità
di avere molte estrazioni di raggi e quindi la disponibilità di fasce di
particelle praticamente in tutto lo spettro delle energie presente nella
macchina. L'estrazione di particelle avviene deviandole dalla loro traiettoria
con una forza (generalmente dovuta ad un campo magnetico) che si oppone e
annulla quella che le tiene su un'orbita a spirale; le particelle allora escono
dalla macchina secondo la tangente alla loro traiettoria (approssimativamente) e
possono essere utilizzate. Lo stesso sistema è usato per il sincrotone;
non si ha però la possibilità di estrazioni intermedie in quanto
le particelle escono solo quando hanno raggiunto l'orbita più esterna,
cioè quando posseggono il massimo dell'energia. Le applicazioni del
c., sono ancora per lo più limitate al campo della ricerca. Il
fascio di particelle accelerate viene mandato a collidere su un bersaglio
opportuno per esaminare le interazioni fra la materia e queste particelle ad
elevata energia. Se il bersaglio è opportuno e posto entro la macchina,
si può avere all'uscita un fascio di particelle diverso da quello
accelerato; in questo modo si producono ad es. fasci di neutroni o di mesoni. Il
c. però comincia anche ad essere utilizzato industrialmente
(produzione di isotopi radioattivi, esami non distruttivi di materiali, ecc.) e
in medicina nella terapia di certi tumori. Un'applicazione importante del
c. è stata la produzione di uranio 235 a partire dalla miscela di
isotopi naturali. Lawrence stesso aveva dimostrato nel 1941 la
possibilità di separare a mezzo di un
c. gli isotopi di metalli
pesanti e in particolare dell'uranio. In un
c. più potente
costruito sempre presso l'università della California che aveva delle
espansioni polari di 95 cm, fu dimostrata la possibilità di applicare
industrialmente il frazionamento isotopico dell'uranio con
c. Nel 1942
entrò in funzione un grande
c. (4,7 m di diametro delle espansioni
polari) costruito sempre presso la stessa università, che permetteva la
separazione di qualche centigrammo/giorno di uranio 235. Questo
c. fu
detto
calutrone (V.) ed ebbe una grande
importanza storica e militare in quanto, sulla scorta dell'esperienza acquisita
con esso, un consorzio di industrie statunitensi costruì a Clinton un
grande impianto di produzione dell'isotopo 235 dell'uranio a mezzo di
c.
specializzarli a questo uso. Questo impianto entrò in funzione verso la
fine del 1943 e fino alla conclusione della seconda guerra mondiale produsse
grandi quantità di uranio 235 di purezza sufficiente per la costruzione
di bombe e di pile atomiche. Oggi questo metodo di frazionamento isotopico
è stato abbandonato per l'uranio, ma è ancora in vigore per altri
isotopi, soprattutto di metalli rari o altri elementi (ad es. terre rare), per i
quali il frazionamento della miscela naturale non è stato realizzato in
modo conveniente con metodi diversi.