Sincrotrone.

Fis. - Acceleratore di particelle su traiettoria circolare per elettroni (elettrosincrotrone), protoni (protosincrotrone) o particelle pesanti (s. per ioni). Il s. sfrutta simultaneamente i principi di funzionamento del betatrone (campo magnetico variabile) e del sincrociclotrone (modulazione in frequenza della tensione acceleratrice alternata), consentendo di raggiungere energie elevatissime; esso ha funzionamento impulsivo, e la durata del ciclo di accelerazione varia da alcuni millesimi di secondo nelle macchine più piccole fino ad alcuni secondi nei grandi protosincrotroni. La prima macchina acceleratrice di questo tipo fu costruita a Brookhaven, negli Stati Uniti, ed entrò in funzione nel 1952; essa produceva particelle con un'energia massima di 3 GeV. Grazie agli sviluppi della fisica delle particelle e della tecnologia, le macchine attualmente in funzione consentono di raggiungere energie dell'ordine di grandezza di 6 GeV per gli elettroni e di 30 GeV per i protoni, mentre sono in costruzione acceleratori da 300 GeV e si parla già di s. da oltre 1.000 GeV, per i protoni. Il s. ha il suo nucleo in una camera a vuoto a forma toroidale, composta da quattro archi di circonferenza alternati a quattro segmenti rettilinei, detta ciambella; al suo interno il fascio di particelle viene mantenuto in moto pressoché circolare (eccetto per i tratti rettilinei) mediante un campo magnetico posto nelle zone circolari della ciambella, e viene accelerato fino alla massima potenza nei tratti rettilinei per mezzo di un campo elettrico. Il campo magnetico è generato da elettromagneti opportunamente avvolti attorno alla ciambella, di dimensioni e costi inferiori rispetto a quelli che, a parità di prestazioni, sarebbero necessari in un ciclotrone, in un betatrone o in un sincrociclotrone; il suo scopo è mantenere le particelle sull'orbita curva prestabilita all'interno della ciambella. Nella maggior parte dei s. il campo magnetico viene variato da un minimo a un massimo di intensità (ad esempio, da 10 a 10.000 Gauss) durante un ciclo, in modo da avere lo stesso effetto sulle particelle mentre queste vengono accelerate: l'azione del campo sulle particelle, infatti, dipende dalla velocità che esse hanno acquisito, rendendo necessaria un'opportuna variazione di intensità durante l'accelerazione. Al termine di un ciclo il campo magnetico, che ha raggiunto valori elevati in corrispondenza alla massima energia delle particelle, deve ritornare a valori bassi per riprendere l'accelerazione del pacchetto successivo; tale diminuzione viene operata scaricando l'energia del campo magnetico su un banco di condensatori, dai quali viene di nuovo recuperata quando si deve raggiungere il campo più intenso. Il campo elettrico acceleratore viene generato mediante quattro coppie di due elettrodi poste nei tratti rettilinei, entro la ciambella; la tensione applicata ha un valore efficace molto alto ed è alternata, con forma d'onda circa sinusoidale, a radiofrequenza. Inoltre, la tensione applicata agli elettrodi di accelerazione varia in modo che se una particella è in accordo di fase con essa, a ogni passaggio in un tratto di accelerazione subisce un impulso che aumenta la sua velocità, consentendole, tuttavia, di rimanere nell'orbita di equilibrio e di ritornare al termine di un giro alla medesima fase di partenza. In caso contrario, la particella acquista troppa energia e al termine di un giro troverà un campo elettrico minore rispetto a quello di partenza: tale tendenza si invertirà non appena il campo elettrico sarà sceso al di sotto del valore corrispondente all'accordo di fase, mentre il raggio dell'orbita e la fase della particella torneranno ad aumentare. Questo meccanismo, alla base del funzionamento del s., prende il nome di principio di stabilità di fase e consiste sostanzialmente in un'oscillazione (oscillazione di s.) intorno alla fase di una particella sincrona: esso provoca la formazione di un pacchetto di particelle accelerate intorno alla particella sincrona, la cui lunghezza dipende dalla pendenza dell'intensità del campo elettrico. Una volta raggiunta l'energia massima, le particelle che circolano nel s. vengono estratte e inviate contro un bersaglio al fine di generare un secondo fascio di particelle, oppure di studiare le proprietà della materia stessa che costituisce il bersaglio. L'energia massima raggiungibile in un s. per protoni o per ioni dipende dal valore del prodotto dell'induzione del campo magnetico curvante massimo per il raggio dell'acceleratore; negli elettrosincrotroni, invece, il valore dell'energia massima ottenibile è limitato dall'irraggiamento degli elettroni stessi, poiché essi, irradiando, perdono in continuazione parte della loro energia. In entrambi i casi, la sperimentazione tramite s. è limitata dal fatto che nell'urto di particelle relativistiche, cioè dotate di velocità non trascurabile rispetto a quella della luce, e particelle bersaglio ferme, il rapporto tra l'energia totale nel sistema di riferimento del centro di massa delle due particelle e l'energia T della particella accelerata decresce come ; tale limite è stato superato mediante la costruzione degli anelli di collisione, macchine simili al s. nelle quali vengono fatti collidere frontalmente due fasci di particelle accelerate. Le macchine più potenti di questo tipo sono il LEP del CERN di Ginevra e il TEVATRON del FNAL di Batavia. ║ Elettrosincrotrone: s. destinato all'accelerazione di elettroni. Dal punto di vista costruttivo un elettrosincrotrone necessita di particolari accorgimenti per eliminare le correnti parassite: a tale scopo la camera a vuoto è solitamente costruita con materiali a bassa conducibilità o con isolanti, oppure viene dotata di un rivestimento isolante all'interno di un materiale a bassa conducibilità per la struttura. Il generatore è costituito da un cannone elettronico seguito da un acceleratore lineare, o dal solo cannone elettronico interno alla camera a vuoto; il fascio di elettroni è pulsante, con una corrente media che in generale non supera pochi microampère. Raggiunta l'energia massima, il fascio di elettroni viene estratto dalla camera a vuoto mediante un'opportuna perturbazione magnetica, per poi essere inviato contro un bersaglio esterno, oppure viene fatto collidere su un bersaglio opportuno, interno alla camera stessa, per produrre un fascio intenso di raggi γ a elevata energia, utilizzato per esplorare le proprietà della materia. ║ Protosincrotrone: s. destinato all'accelerazione di protoni. Dal punto di vista costruttivo, esso è molto simile a un elettrosincrotrone, dal quale, tuttavia, si differenzia poiché la velocità raggiunta dalle particelle è sempre abbastanza lontana da quella della luce; in compenso deve essere posta particolare attenzione alla variazione del campo magnetico, in quanto fra l'ingresso e l'uscita del fascio la variazione di velocità delle particelle è molto maggiore di quella che si ha nell'elettrosincrotrone. Il generatore di particelle è solitamente costituito da un generatore elettrostatico, seguito o meno da un'acceleratore lineare; l'immissione dei protoni nell'orbita è ottenuta mediante un sistema di deflessione che crea un campo elettrico pulsato con frequenza a fase opportuna. Raggiunta la massima energia, il fascio viene fatto collidere contro un bersaglio interno per produrre fasci secondari di particelle di natura diversa (mesoni π, mesoni K, neutrini, ecc.), oppure viene estratto e inviato contro un bersaglio esterno per studiarne l'interazione. L'energia massima raggiungibile con un protosincrotrone come quello ora descritto è limitata a circa 300 MeV; è possibile raggiungere energie molto maggiori (fino a qualche GeV), ma per queste e per energie maggiori si utilizzano in generale i s. FFAG o AGS. ║ S. a gradiente alternato o AGS (dall'inglese Alternating Gradient Synchrotrons): s. il cui funzionamento è basato sul principio della focalizzazione forte, nel quale è possibile raggiungere energie maggiori rispetto a un protosincrotrone. Il principio della focalizzazione forte si fonda sul fatto, già noto nell'ottica geometrica e valido anche nell'ottica elettronica, che l'insieme di due lenti di uguale lunghezza focale, l'una convergente e l'altra divergente, poste molto vicino, costituisce un'ottica convergente; anziché costruire grandi magneti con la stessa polarità, quindi, in queste macchine si alternano magneti che generano un campo magnetico alternativamente in un senso o nell'altro: l'effetto che si ottiene è una focalizzazione del fascio di particelle alternativamente nel piano dell'orbita e nel piano normale a questo, con un effetto globale di forte focalizzazione del fascio stesso. Di conseguenza, gli spostamenti radiali (e normali al raggio) delle particelle vengono molto ridotti e la camera a vuoto può essere di dimensioni minori, facilitando il mantenimento del vuoto spinto all'interno della camera stessa. La coerenza del fascio permette inoltre di raggiungere energie molto più elevate, dell'ordine di qualche GeV per gli elettroni (ne sono stati costruiti da 6 GeV) e di qualche decina di GeV per i protoni. Se la costruzione della camera è particolarmente semplice in un AGS, il complesso della macchina presenta particolari complicazioni costruttive; infatti, è necessario che il gradiente del campo magnetico, nel senso radiale rispetto all'orbita, sia molto forte e vi è la possibilità che si verifichino condizioni di risonanza fra la rivoluzione delle particelle e le oscillazioni di betatrone, cioè le oscillazioni del fascio nel senso radiale e normale al raggio e al piano dell'orbita, il che impone restrizioni molto grandi alle tolleranze nella costruzione meccanica della macchina. ║ S. a campo fisso e gradiente alternato o FFAG (dall'inglese Fixed Field Alternating Gradient): acceleratori di particelle mediante i quali è possibile ottenere energie maggiori rispetto a ogni altro tipo di s. Il funzionamento di queste macchine si basa sulla scoperta di L.D. Haworth che l'alternanza del campo magnetico non è indispensabile per il funzionamento del s. È sufficiente costruire il campo magnetico in modo tale che sia dotato di un gradiente non decrescente, strettamente crescente con il raggio dell'orbita, e alternando il segno del campo stesso a settori. In questo modo il fascio di particelle subisce alternativamente una deflessione verso l'esterno dell'orbita e una verso l'interno; affinché si abbia un'orbita chiusa è necessario che la deflessione globale sia verso l'interno, come si ottiene facendo in modo che il campo che deflette verso l'esterno sia minore di quello che deflette verso l'interno, oppure costruendo i settori deflettenti verso l'interno più lunghi di quelli deflettenti verso l'esterno. L'eliminazione della variabilità del campo magnetico, che deve essere sincronizzata con la variazione di frequenza della tensione a radiofrequenza, ha reso questo tipo di s. molto più semplice; inoltre le macchine FFAG presentano il vantaggio che per qualsiasi energia delle particelle accelerate è sempre verificata l'esistenza di orbite stabili, consentendo, almeno in linea teorica, di partire con particelle a bassissima energia e di portarle a un'energia molto elevata senza che si abbiano problemi di stabilità delle orbite o di slittamento di fase. Gli acceleratori FFAG possono essere sia per protoni sia per elettroni (e vengono detti quindi rispettivamente protosincrotroni FFAG ed elettrosincrotroni FFAG); come per i s. il fascio accelerato può essere estratto all'esterno, oppure mandato a collidere con un bersaglio interno per ottenere un fascio di particelle secondario. Sono realizzate con FFAG le più potenti macchine acceleratrici di particelle oggi esistenti, che sono tutte dei protosincrotroni. ║ Radiazione o luce di s.: radiazione elettromagnetica emessa da particelle cariche circolanti in un campo magnetico con velocità prossima a quella della luce. Nel caso di un elettrone in moto lungo un'orbita circolare, come avviene in un elettrosincrotrone, la radiazione viene emessa in un piccolo cono in direzione della velocità della particella e si presenta con una fortissima polarizzazione; il campo elettrico delle onde elettromagnetiche vibra nel piano dell'orbita, in direzione ortogonale al campo magnetico presente nella ciambella. Lo spettro è continuo e presenta un massimo dipendente dalla velocità della particella e dal raggio della sua orbita; negli elettrosincrotroni a elevata energia la radiazione di s. viene emessa sotto forma di fotoni, con uno spettro che va dalle onde radio ai raggi X. La radiazione di s. trova applicazione in numerosi campi, dalla spettroscopia alla fisica dei solidi e delle superfici: grazie all'ampio intervallo spettrale che è possibile ricoprire, infatti, l'interazione della luce di s. con la materia consente di studiare molteplici aspetti e proprietà della materia stessa, sia in ambito fisico sia in ambito chimico, biologico o meccanico. Infine, l'identificazione dell'emissione di luce di s. nello spettro di un corpo celeste riveste particolare importanza in astrofisica, in quanto consente di riconoscere la presenza di particelle relativistiche cariche e di intensi campi magnetici.