CICLOTRONE
CICLOTRONE
. Macchina usata nelle ricerche di fisica nucleare per l'accelerazione di ioni (protoni, deutoni, particelle α), fino ad energie di parecchi Mev (milioni di elettrone-volt).
L'apparecchio si compone essenzialmente di un recipiente a forma di cilindro schiacciato nel quale viene praticato un vuoto molto spinto, posto tra le espansioni polari di un elettromagnete capace di produrre un campo di parecchie migliaia di oersted. Entro questo recipiente si trovano, sostenuti da isolatori, due elettrodi cavi semicircolari (che si indicano col nome di D dalla loro forma); nei più recenti impianti vi è uno solo di tali elettrodi, l'altro essendo costituito dalla carcassa stessa del recipiente. Al centro, fra i due elettrodi, si trova una sorgente di ioni; lateralmente è situato un elettrodo deviatore per la deflessione e l'estrazione degli ioni accelerati (fig. 2). Il processo di accelerazione degli ioni avviene sostanzialmente nel seguente modo: una tensione di qualche decina di kilovolt ad alta frequenza (come generatore dell'alta frequenza può essere usato l'impianto di una stazione radio trasmittente) viene applicata alle due D; alla prima alternanza del campo elettrico gli ioni cominciano a muoversi verso una D e penetrano nel suo interno (dove il campo elettrico è nullo). Contemporaneamente il campo magnetico dell'elettromagnete vincola gli ioni a muoversi su traiettorie circolari, sino a portarli ad uscire nel punto diametralmente opposto a quello in cui sono penetrati nella D stessa. All'istante in cui ha luogo il passaggio del fascio di ioni da una D all'altra, varia il segno della differenza di potenziale tra le D, in maniera da imprimere agli ioni un'ulteriore accelerazione. Una volta penetrati nella seconda D gli ioni seguono un'altra traiettoria circolare (di raggio leggermente superiore alla precedente). Questo processo si ripete per qualche migliaio di volte: ad ogni mezzo giro gli ioni subiscono un incremento della loro energia, e di conseguenza la traiettoria risultante si può assimilare ad una spirale costituita da una serie di semicirconferenze. Quando gli ioni hanno raggiunto l'energia prestabilita, essi vengono deflessi mediante il campo elettrico radiale creato dall'elettrodo deflessore e diretti in tal modo sullo schermo da bombardare (che si indica nel linguaggio tecnico col vocabolo inglese target).
Da quanto precede risulta chiaro che il funzionamento del ciclotrone si fonda essenzialmente sulla possibilità di sincronizzare le alternanze del campo elettrico tra le due D con il moto di rivoluzione degli ioni. Quando una particella di carica elettrica e e di massa m costanti si muove entro un campo omogeneo H, essa vi descrive una traiettoria a forma di spirale con una velocità angolare costante: in questo modo resta quindi costante il tempo impiegato a compiere un'intera rotazione, nonostante il variare dell'energia. Se indichiamo con c la velocità della luce e con r il raggio istantaneo della traiettoria, la relazione che lega il campo magnetico H alla velocità v, alla massa m e alla carica e della particella, allora
Da questa relazione si ricava che il periodo di tale moto
è indipendente dalla velocità v della particella. Basta quindi disporre un campo elettrico alternativo di frequenza f = 1/T perché venga assicurato il sincronismo dell'alta tensione applicata agli elettrodi con il moto degli ioni.
L'energia U che corrisponde ad una traiettoria di raggio r entro un campo magnetico H si ricava ancora dalla relazione precedente e risulta:
Da questa sommaria descrizione del processo di accelerazione degli ioni che ha luogo nel ciclotrone, è chiaro che l'energia raggiungibile con una simile macchina è tanto più elevata, quanto più intenso è il campo magnetico entro le D, e quanto più larghe sono le espansioni polari. Pertanto il diametro di queste ultime è una indicazione della massima energia ottenibile con la macchina.
Dalle relazioni precedenti e per un ciclotrone per cui H = 15.000 oersted ed rmax = 30 cm., si ha subito che per i protoni l'energia massima raggiungibile è U = 9,7•106 eV, per i deutoni U = 4,8•106 eV.
Occorre osservare che le precedenti considerazioni e formule sono valide solo nel caso che si trascuri l'aumento relativistico della massa all'aumentare della velocità. A parità di energia cinetica è molto più sensibile l'aumento relativistico di massa subìto da una particella leggera, come per esempio da un elettrone, che non l'aumento subìto da una particella pesante. Questa circostanza impedisce l'impiego del ciclotrone per l'accelerazione degli elettroni.
Ciclotrone modulato in frequenza o sincrociclotrone si chiama un ciclotrone in cui si moduli la frequenza in modo tale da mantenere il sincronismo fra l'alta frequenza e i passaggi degli ioni fra le D, allo scopo di compensare, alle altissime energie, l'aumento relativistico della massa delle particelle pesanti.
Il ciclotrone è stato immaginato e realizzato per la prima volta da E. O. Lawrence a Berkeley negli anni tra il 1930 ed il 1936. Attualmente diverse decine di esemplari, di varie dimensioni, sono in funzione in alcuni paesi del mondo. Il più grande ciclotrone oggi in funzione si trova a Berkeley: le espansioni polari del suo magnete hanno 460 cm. di diametro e il suo peso complessivo è di 4000 t. (fig. 3). L'energia che possono raggiungere i deutoni accelerati da questa macchina raggiunge i 195 Mev, con una corrente di circa 0,6 mA. L'aumento relativistico della loro massa raggiunge l'11%.
Bibl.: E. Lawrence, A new method for producing high speed hydrogen ions without the use of high voltage, in Science, LXXII (1930), p. 376; id., in Physical Review, XXXVII (1931), p. 1707; id., in Physical Review, XLV (1934), p. 608; J. D. Cockroft, The Cyclotron and its applications, in Journal of Scientific Instruments, XVI (1939), p. 37; W. B. Mann, Recent development in cyclotron technique in Nature, CLXIII (1939), p. 583.