acceleratóre di particèlle
acceleratóre di particèlle Dispositivo che imprime elevate energie cinetiche a particelle subatomiche cariche (ioni, protoni, elettroni ecc.) mediante l’azione di campi elettrostatici o elettromagnetici. Le particelle così accelerate sono generalmente inviate contro un opportuno bersaglio per produrre nuove particelle e per investigare la struttura della materia e dei suoi costituenti. Il raggiungimento di energie sempre più elevate è essenziale, nel primo caso, per produrre particelle con masse sempre più elevate (stante l’equivalenza massa-energia), nel secondo, per uno studio sempre più approfondito della struttura della materia. Il potere risolutivo di un fascio di particelle, cioè la sua capacità di distinguere strutture spaziali molto ravvicinate, è legato alla quantità di moto e quindi all’energia cinetica delle particelle: in ottica il potere risolutivo Δx di un microscopio dipende dalla lunghezza d’onda λ della luce con la quale si esamina l’oggetto, avendosi Δx ~ λ; poiché secondo la meccanica quantistica una particella con quantità di moto p è equivalente a un’onda con lunghezza d’onda λ = h/p (ove h è la costante di Planck), impiegando un fascio di particelle con quantità di moto p si ha un potere risolutivo, Δx ~ h/p, che migliora al crescere dell’energia cinetica delle particelle. Questo tipo di indagini fu inizialmente condotto utilizzando particelle veloci naturali, come quelle emesse da sostanze radioattive o quelle costituenti la radiazione cosmica; a partire dal 1930 si è fatto sempre più ricorso agli a. per ottenere fasci intensi ben collimati, sensibilmente monocromatici, di elevatissima energia, variabile con continuità; nuove, grandi prospettive si sono infine aperte a partire dagli anni Sessanta con l’avvento degli anelli di accumulazione a fasci collidenti (➔ ADA e anello). Le energie raggiunte con gli a. per lo studio della fisica subnucleare, e quindi della struttura fondamentale della materia, hanno continuato a crescere al ritmo di un ordine di grandezza al decennio (fig. 1), mentre il rapporto tra il costo di un a. e la sua energia massima è diminuito all’incirca nella stessa misura. Attualmente il maggiore anello acceleratore è il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.
Molto schematicamente gli a. possono suddividersi in a. circolari, a. elettrostatici e a. lineari.
Negli a. circolari le particelle descrivono traiettorie curve per la presenza di un campo magnetico: nei ciclotroni (➔) traiettorie spiraliformi, nei betatroni (➔) e nei sincrotroni (➔) la traiettoria delle particelle è circolare.
Negli a. elettrostatici le particelle vengono accelerate da un campo elettrostatico lungo traiettorie rettilinee; sono schematicamente costituiti (fig. 2) da un tubo a vuoto, a (h è il condotto verso la pompa), a un’estremità del quale è una finestra sottile, f, verso il bersaglio, g, mentre all’altra estremità è la sorgente di particelle: se queste sono elettroni, la sorgente può essere costituita, come nella figura, da un cannone elettronico, di cui b è il catodo, a riscaldamento diretto, c è l’intensificatore, d l’anodo; tra la sorgente e la finestra è disposto un elettrodo acceleratore, e, a forma di cilindretto o di disco forato, mantenuto da un generatore di tensione continua, i, a un elevato potenziale positivo rispetto alla sorgente; se V è la tensione di tale elettrodo rispetto al catodo, misurata in volt, l’energia degli elettroni che incidono sul bersaglio vale, con ottima approssimazione, eV elettronvolt, con e la carica elettronica. Usando adatti generatori, per es. moltiplicatori di tensione a molti stadi (Cockcroft- Walton) oppure generatori elettrostatici (Van de Graaff), si possono ottenere particelle con notevoli energie, sino a ~ 10 MeV.
Negli a. lineari le particelle vengono accelerate lungo traiettorie rettilinee da campi elettrici variabili nel tempo. Un a. lineare per protoni o ioni è illustrato nella fig. 3, nella quale a è il tubo a vuoto e f è il condotto verso la pompa. Gli elettrodi acceleratori, d, a forma di cilindretti cavi, sono disposti di seguito tra la sorgente, c, e il bersaglio, e; un generatore di tensione alternata, b, mantiene una differenza di potenziale tra l’uno e l’altro di due elettrodi consecutivi: i vari elettrodi hanno lunghezza progressivamente crescente andando dalla sorgente verso il bersaglio, in modo che il moto delle particelle, accelerato nell’intervallo tra un elettrodo e l’altro, risulti in fase costante con le oscillazioni della tensione acceleratrice. Negli a. lineari per elettroni il tubo a vuoto è dotato di elettrodi forati equidistanti e costituisce una guida, nella quale viene prodotta un’onda elettromagnetica con una componente del campo elettrico nella direzione di propagazione; gli elettroni che vengono iniettati nel tubo acceleratore con la giusta fase e con velocità prossima a quella dell’onda vengono catturati da questa e accelerati fino al termine del tubo.
Lo studio di nuove tecniche di accelerazione è stimolato soprattutto dalle esigenze della ricerca fondamentale avanzata (in termini di energie massime, intensità e qualità dei fasci) e dalla necessità di ridurre i costi a parità di prestazioni. A grandi linee si può affermare che in primo luogo si persegue l’aumento dei valori dei campi elettrici acceleranti e magnetici di guida (nelle macchine circolari), per ridurre le dimensioni dell’a., così come il miglioramento dell’efficienza globale di trasferimento di energia dalla macchina al fascio (nelle macchine lineari), al fine di ridurre i costi legati alla lunghezza e al consumo energetico dell’acceleratore.
Applicazioni mediche e industriali
a) applicazioni mediche: i principali campi di utilizzo sono la medicina nucleare e l’oncologia, con un deciso impulso all’adroterapia (➔), ma l’uso di a. tende a estendersi ad altri campi, per es. alla radiologia e alla strumentazione chirurgica (laser a elettroni liberi); significativi progressi si sono avuti anche nel campo delle tecniche angiografiche e radiografiche che utilizzano la radiazione di sincrotrone;
b) applicazioni industriali: le applicazioni più comuni sono la saldatura, la sterilizzazione di cibi, di materiali medici e di fanghi, la modificazione delle proprietà chimico-fisiche di materie plastiche, l’impiantazione ionica; c) produzione di energia: si sono riconosciute in misura crescente le notevoli potenzialità degli a. di particelle pesanti (sincrotroni e a. lineari) per la produzione di energia più sicura e pulita: fasci di protoni e di ioni pesanti (dallo xeno al piombo), per le loro potenze medie e di picco, per efficienza, affidabilità, durata e perfetta controllabilità, sono naturali candidati per il pilotaggio di reattori a fissione sottocritici e quindi intrinsecamente sicuri o a fusione con confinamento inerziale.