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acceleratóre

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agg. e sm. [sec. XX; da accelerare]. Che accelera; mezzo atto a provocare o favorire un'accelerazione. § Nella tecnica, dispositivo di auto e motoveicoli che permette di variare l'afflusso di miscela nei cilindri del motore e quindi la potenza del motore stesso. L'acceleratore degli autoveicoli è costituito da un sistema di leve, comandato da un pedale, che fa variare la posizione della valvola a farfalla del carburatore (nei motori a carburazione) o del pistoncino della pompa d'iniezione (nei motori Diesel o a iniezione), determinando il maggiore o minore afflusso di carburante; nei motoveicoli il comando è sullo sterzo (manopola del gas) e la tiranteria aziona la valvola del carburatore. § In aeronautica, di decollo, dispositivo (detto anche booster, jato, razzo di decollo) atto a facilitare l'involo di aerei con elevato carico alare. Consta di due o più razzi generalmente a combustibile solido, montati sotto le ali o la fusoliera, la cui energica spinta fa innalzare il velivolo in uno spazio molto breve. § In elettronica, si dice dell'elettrodo di un tubo elettronico che abbia la funzione di aumentare la velocità degli elettroni. § In economia, coefficiente che indica di quanto aumentano gli investimenti all'aumento del reddito. È detto anche coefficiente di accelerazione.

Fisica nucleare: delle particelle fondamentali

L' diparticelle è una macchina che permette di comunicare a particelle atomiche o subatomiche cariche, quali elettroni o ioni, mediante l'azione acceleratrice di un campo elettrico o elettromagnetico variabile, un'elevata energia cinetica. Prendendo come unità l'elettronvolt (eV) si è soliti esprimere questa energia (uguale al prodotto della carica della particella per la tensione acceleratrice) in keV (103 eV), in MeV (106 eV), in GeV (109 eV) e in TeV (1012 eV). Elementi fondamentali dell'acceleratore di particelle sono: la sorgente di particelle cariche (elettroni prodotti per effetto termoelettrico; protoni, deutoni, particelle alfa e altri ioni ottenuti ionizzando gas atomico); il tubo o camera di accelerazione racchiudente una regione a vuoto spinto (minore di 10-5 mmHg) entro la quale sono immesse e accelerate le particelle; il generatore del campo di accelerazione; il dispositivo di focalizzazione per mantenere e concentrare le particelle in un fascio omogeneo, d'energia e traiettoria ben definite; il bersaglio nucleare sottoposto al bombardamento delle particelle accelerate, interno oppure esterno alla camera di accelerazione; gli apparecchi di comando, di misura e di controllo. A seconda del dispositivo di accelerazione utilizzato e della traiettoria delle particelle, si classificano gli acceleratori in: elettrostatici (acceleratore di Cockcroft e Walton, acceleratore di Van de Graaff, acceleratore Tandem ecc.), in cui l'azione accelerante è dovuta a una tensione continua estremamente intensa applicata tra la sorgente e il tubo acceleratore e in cui la traiettoria delle particelle è rettilinea; lineari (acceleratore lineare per elettroni, per protoni e per ioni), in cui l'azione accelerante è dovuta a una tensione variabile a radiofrequenza, che alimenta una serie di tubi o di cavità allineate che accelerano le particelle in sincronismo con il loro passaggio; circolari (ciclotrone, sincrociclotrone, ciclotrone isocrono, ciclotrone a orbite separate, betatrone, microtrone, sincrotrone, elettrosincrotrone, protosincrotrone, AGS), in cui la traiettoria circolare delle particelle è dovuta a un campo d'induzione magnetica B (chiamato campo di guida e diretto perpendicolarmente al piano della traiettoria), per effetto del quale sulle particelle di carica q e velocità v agisce la forza di Lorentz F=qv∧B, forza centrale che ne incurva la traiettoria senza però fornire loro energia; a effetto Čerenkov inverso, in cui l'azione accelerante è data da un raggio di luce diretto nell'angolo di Čerenkov; a onde di plasma, in cui l'accelerazione è dovuta a un potente raggio laser che riscalda un getto di gas formando un plasma. Per un efficiente funzionamento degli acceleratori è particolarmente importante un principio, detto di stabilità di fase. L'applicazione di questo principio negli acceleratori lineari e negli acceleratori circolari sincroni consente l'accelerazione di particelle a velocità relativistiche (cioè prossime alla velocità della luce). Si dice che si ha stabilità di fase quando le particelle sono fatte transitare nella zona in cui si effettua l'accelerazione (gap) sempre in sincronismo con un determinato intervallo della fase del campo elettrico accelerante. Queste particelle, anche se transitano con energie e in tempi differenti tra loro e da quelli per cui si avrebbe la massima accelerazione, restano raggruppate nei successivi passaggi nella zona di accelerazione.

Storia degli acceleratori

La storia degli acceleratori ha inizio negli anni 1925-30, in seguito all'affermarsi della fisica nucleare come scienza sperimentale, grazie alle ricerche sulla trasmutazione nucleare condotte da lord E. Rutherford, A.J.D. Cockcroft, E.T.S. Walton e R.J. Van de Graaff si devono lo studio e la realizzazione dei primi acceleratori elettrostatici; a G.I. Ising, E. Wideröe, D.H. Sloan e E.O. Lawrence, il principio di funzionamento e la costruzione degli acceleratori lineari a radiofrequenza; a E.O. Lawrence e M.S. Livingston, la creazione del primo ciclotrone e degli acceleratori circolari. Queste macchine, successivamente perfezionate, permisero di accelerare le particelle fino a un'energia di qualche decina di MeV. La scoperta del principio di stabilità di fase, fatta da V.I. Veksler in URSS e, indipendentemente, da E.M. McMillan negli USA, consentì dopo il 1945 la costruzione degli acceleratori ad alta energia richiesti dall'esplorazione sempre più profonda del nucleo e della materia nucleare. Gli acceleratori presentano vantaggi enormi rispetto alle sorgenti naturali (elementi radioattivi, raggi cosmici) per l'intensità dei fasci ottenuti e per la varietà delle particelle accelerate (elettroni, protoni, deutoni, ioni positivi leggeri e pesanti) e prodotte per urto (raggi X, neutroni, mesoni, neutrini e antiparticelle). Gli acceleratori si utilizzano principalmente nel campo della ricerca sperimentale in fisica nucleare (studio del nucleo e delle reazioni nucleari) e nella fisica delle alte energie (studio delle particelle elementari). Le particelle accelerate, usate come proiettili nucleari, sono dirette contro i nuclei del bersaglio e la collisione che avviene permette di trasferire a questo una parte o la totalità dell'energia cinetica disponibile. Nel 1932 Cockcroft e Walton bombardando con protoni di 400 keV nuclei di 7Li ne ottennero la disintegrazione: p+7Li —→ 24He; fasci di protoni di almeno 300 MeV sono invece necessari per produrre nell'urto su di un bersaglio di idrogenopioni π+ mediante la reazione: p+p —→ p+n+π+ oppure p+p —→ d+π+; mentre è con i protoni di 6 GeV del Bevatrone di Berkeley che E. Segrè scoprì nel 1955 l'antiprotonep: p+p —→ p+p+(p+p). Gli acceleratori trovano la loro applicazione in numerosi altri settori, quali la chimica e la chimica nucleare (polimerizzazione mediante irraggiamento con elettroni e raggi X, produzione di radioelementi, di traccianti isotopici e radioattivi), la radiobiologia (studio degli effetti delle radiazioni sulle cellule organiche), la medicina (nella terapia dei tumori con raggi X penetranti), l'industria (radiografia dei metalli, studio delle loro proprietà, sterilizzazioni delle confezioni alimentari).

Acceleratori elettrostatici

Gli acceleratori elettrostatici sono principalmente composti da un tubo di accelerazione, alle estremità del quale si trovano la sorgente di particelle (elettroni o ioni) e il bersaglio, e da un generatore di alta tensione continua. La traiettoria delle particelle è rettilinea e l'energia conferita a esse corrisponde effettivamente alla tensione acceleratrice applicata, limitata solo dalle difficoltà di isolamento a qualche milione di volt. Questi acceleratori permettono di accelerare fasci di elettroni, di protoni, di deutoni, di particelle alfa e di altri ioni a un'energia di qualche MeV, sufficiente per realizzare la disintegrazione del nucleo atomico. Vengono utilizzati per lo studio delle reazioni nucleari a bassa energia, per iniettare particelle veloci negli acceleratori ad alta energia e per produrre, mediante reazioni nucleari, fasci di neutroni veloci e di raggi X penetranti. Alla categoria degli acceleratori elettrostatici appartengono: l'acceleratore di Cockcroft e Walton, l'acceleratore di Van de Graaff, l'acceleratore Tandem, l'acceleratore di Felici. A) di Cockcroft e Walton. La sua caratteristica principale è il generatore di alta tensione, basato su un circuito moltiplicatore di tensione ripreso da un generatore costruito da H. Greinacher nel 1920. Il circuito è costituito da due colonne di condensatori in serie collegate con diodi (kenotron o raddrizzatori al selenio) anch'essi in serie; una colonna di condensatori è collegata al secondario di un trasformatore di alimentazione che dà in uscita una tensione di cresta V=100 kV, la seconda colonna ha un'estremità a massa mentre l'altra estremità viene portata a un'alta tensione continua uguale a 2 NV (N è il numero di stadi, V la tensione fornita dal trasformatore). L'energia massima raggiunta da questi acceleratori è di 2 MeV; la forte corrente di particelle accelerate (circa 1 mA) permette di utilizzarli per generare fasci secondari di neutroni veloci. B) di Van de Graaff. In questo acceleratore (Van de Graaff ne costruì il prototipo a Princeton nel 1929), la tensione acceleratrice è generata mediante trasporto e accumulazione di cariche elettriche su una sfera metallica cava, retta da una colonna isolante. Depositate alla base di un nastro isolante in movimento, teso tra due pulegge, le cariche elettriche sono trasportate all'altra estremità del nastro e vanno quindi a caricare la sfera mentre il nastro ridiventa neutro. Per una sfera con capacità C, alla progressiva accumulazione di cariche Q corrisponde un aumento di potenziale dato da V=Q/C. La base del nastro, che è situata tra un pettine alimentato da una tensione continua di 10÷20 kV e la puleggia collegata a massa, viene caricata elettricamente per effetto corona: in ugual modo la scarica tra un pettine connesso alla sfera e la puleggia terminale isolata da essa permette l'accumulazione delle cariche trasportate sulla superficie esterna della sfera. L'isolamento in tensione di questo generatore (1 MV per una sfera di un metro di raggio) è considerevolmente migliorato racchiudendo l'elettrodo ad alta tensione e il tubo acceleratore in un involucro contenente gas ad alta pressione e di elevata costante dielettrica. Gli acceleratori Van de Graaff sono impiegati per accelerare ioni oppure elettroni, rispettivamente utilizzati per lo studio delle reazioni nucleari e per generare raggi X di alta intensità per uso medico o industriale. C) Tandem. È un acceleratore del tipo Van de Graaff a due stadi che permette, a parità di tensione, di raddoppiare l'energia delle particelle accelerate. È stato concepito da R.D. Bennett e L.W. Alvarez e costruito per la prima volta da Van de Graaff nel 1960. Nel primo stadio i protoni emessi dalla sorgente vengono trasformati in ioni H- e quindi accelerati dal campo elettrico esistente tra la sorgente posta a massa e l'elettrodo ad alta tensione. Gli ioni H- sono riconvertiti in ioni H+ che vengono a loro volta accelerati nel secondo stadio in direzione del bersaglio collegato a massa. D) di Felici. In questo acceleratore il generatore di tensione, costituito da due cilindri rotanti in atmosfera di idrogeno sotto pressione, funziona in base al principio dell'induzione elettrostatica, studiato appunto da R. Felici. È stato usato principalmente per accelerare deutoni che per impatto su bersagli di deuterio o di tritio generano fasci intensi di neutroni veloci.

Acceleratori lineari

Si tratta di acceleratori composti da numerosi elettrodi (cavità acceleratrici) allineati, alimentati da un campo elettrico oscillante. Le particelle emesse dalla sorgente si muovono in linea retta e aumentano progressivamente la velocità attraversando i vari intervalli di accelerazione. Il progetto di acceleratore lineare a radiofrequenza è dovuto a Ising (1925); successivamente Wideröe realizzò nel 1928 il primo acceleratore lineare per ioni pesanti (K+ e Na+) costituito da tre elettrodi di accelerazione. Nel 1931, Sloan e Lawrence costruirono acceleratori con 10 e 30 elettrodi alimentati da una tensione a radiofrequenza di 10 MHz e con valore di cresta di 42 kV, ottenendo un'accelerazione finale di 1,26 MeV. Parallelamente, J. W. Beams all'Università della Virginia si interessò all'accelerazione di elettroni mediante la propagazione di un campo ad alta frequenza. Progressi decisivi nell'elaborazione degli acceleratori lineari furono compiuti, dopo la seconda guerra mondiale, in seguito allo sviluppo delle tecniche radar e dei generatori alta frequenza di grande potenza (magnetron e klystron) e alla scoperta del principio di stabilità di fase. Protagonisti di questi progressi furono i gruppi di W.W. Hansen all'Università di Stanford (acceleratori lineari per elettroni) e di L. Alvarez all'Università di Berkeley (acceleratori lineari per protoni). A) lineare per elettroni . Ogni sezione dell'acceleratore è costituita da una guida d'onda, a forma di conduttore cilindrico, alimentata da un generatore a radiofrequenza. All'interno della guida, in cui si propaga un'onda elettromagnetica di lunghezza d'onda λ, sono posti, a intervalli regolari (in genere λ/4), dei diaframmi attraverso cui passa il fascio e che riducono la velocità di fase dell'onda progressiva alla velocità della luce. Gli elettroni, iniettati da un cannone elettronico o da un acceleratore elettrostatico a velocità prossima alla velocità della luce, viaggiano in fase con l'onda elettromagnetica che si propaga lungo la loro stessa direzione e vengono permanentemente accelerati dal campo elettrico. In queste condizioni, e per dei valori molto elevati del campo elettrico, l'accelerazione avviene conformemente al principio di stabilità di fase e le particelle restano in tal modo legate all'onda in sincronismo con il campo massimo. L'energia finale T delle particelle è proporzionale alla radice quadrata della lunghezza l della guida d'onda e della potenza P di alimentazione e viene espressa dalla formula

con K~3 · 103. Pertanto è possibile ottenere energie sempre maggiori collegando in serie un grande numero di guide d'onda sincronizzate tra loro. Il vantaggio rispetto agli elettrosincrotroni è che con la traiettoria rettilinea delle particelle non sorgono limitazioni in energia dovute a perdite per radiazione, né vi sono particolari difficoltà per focalizzare e per estrarre il fascio. B) lineare per protoni. Costituito da una cavità risonante eccitata da un oscillatore a radiofrequenza, è assai differente per struttura e principio di funzionamento dagli acceleratori per elettroni. Un dispositivo a guida d'onda diaframmata non consentirebbe infatti di mantenere il sincronismo di fase tra l'onda e la particella, la cui velocità, piccola rispetto a quella della luce, aumenta proporzionalmente alla radice quadrata dell'energia. Nell'acceleratore lineare per protoni si ottiene sincronismo tra il campo elettrico di frequenza f (campo stazionario e diretto lungo l'asse della cavità) e la particella di velocità v introducendo nella cavità cilindri di lunghezza crescente e di diametro decrescente distanziati di v/f. Il protone impiega allora esattamente un periodo della radiofrequenza per viaggiare da un tubo all'altro e, rimanendo sincronizzato con il campo elettrico, si ha accelerazione a ogni passaggio. Superiori ai ciclotroni per la definizione del fascio, queste macchine vengono anche impiegate quali iniettori di particelle nei protosincrotoni. Sullo stesso principio degli acceleratori lineari per protoni sono basati gli acceleratori per ioni pesanti.

Acceleratori circolari: generalità

In questi acceleratori il campo di guida B, nel quale si muovono le particelle di carica q e velocità v, incurva la traiettoria delle particelle per effetto della forza di Lorentz. Caratteristiche del moto della particella, oltre alla carica e alla massa, sono il raggio r dell'orbita e la frequenza f di rotazione (detta anche frequenza di ciclotrone o frequenza giromagnetica):

(q, m, v sono rispettivamente la carica, la massa e la velocità della particella). Per l'accelerazione si utilizzano un campo elettrico oscillante o un campo d'induzione elettromotore (nel caso del betatrone). L'accelerazione, ciclica, viene impressa in modo da mantenere il sincronismo tra la frequenza con cui si inverte il campo magnetico accelerante e la frequenza del moto circolare delle particelle. La camera di accelerazione, cilindrica (nel ciclotrone, sincrociclotrone e microtrone) o anulare a forma di ciambella (nel betatrone e nel sincrotrone), è posta nel traferro di un elettromagnete che genera il campo di guida. Negli acceleratori circolari per l'estrazione del fascio è necessario un particolare dispositivo di deviazione detto deflettore. Negli acceleratori circolari è inoltre particolarmente importante il dispositivo di focalizzazione che assicura la stabilità dell'orbita del fascio (stabilità orbitale) affinché durante l'accelerazione non vi sia dispersione spaziale delle particelle lungo la traiettoria. Si sfruttano a tal fine le proprietà focalizzanti di un campo d'induzione magnetica B non uniforme, cioè a gradiente non nullo, ottenuto dando alle espansioni polari dell'elettromagnete una particolare configurazione. Con un particolare tipo di focalizzazione, detta focalizzazione forte a gradiente alternato, il campo di guida presenta un'alternanza di regioni del campo focalizzanti e defocalizzanti. L'utilizzazione di questo metodo di focalizzazione, migliorando la stabilità orbitale, permette di ridurre notevolmente l'apertura delle espansioni polari dell'elettromagnete. La focalizzazione forte viene principalmente applicata ai ciclotroni (ciclotroni a focalizzazione settoriale) e ai sincrotroni (sincrotroni AGS).

Acceleratori circolari: ciclotrone

È un acceleratore a campo di guida B fisso in cui le particelle sono ripetutamente accelerate da un campo elettrico periodico, di frequenza costante, in sincronismo con il moto circolare delle particelle. Per effetto del campo di guida B la traiettoria viene incurvata, il raggio r cresce nel corso dell'accelerazione, mentre si mantiene costante la frequenza di rotazione f. Il ciclotrone è formato da una camera circolare a vuoto spinto in cui sono disposti due elettrodi cavi di rame a forma di D. Questi elettrodi, che producono l'accelerazione, sono collegati al generatore di tensione a radiofrequenza. La camera di accelerazione è posta nel traferro di un elettromagnete che produce il campo di guida verticale. La sorgente di ioni è collocata tra i D e le particelle ionizzate sono emesse al centro della camera di accelerazione. Gli ioni prodotti descrivono nel piano mediano degli elettrodi, per effetto del campo magnetico, una traiettoria semicircolare. Uscendo dal primo D subiscono l'azione del campo elettrico che li accelera verso il secondo D; ne emergono dopo aver percorso un semicerchio e vengono di nuovo accelerati dal campo elettrico, dato il sincronismo tra la frequenza di rotazione e quella con cui varia il campo elettrico. A ogni passaggio tra gli elettrodi si ha accelerazione con conseguente aumento del raggio dell'orbita e spiralizzazione della traiettoria. Quando l'orbita raggiunge l'estensione massima consentita dalla geometria dei D un deflettore elettrostatico devia il fascio e lo dirige su un bersaglio all'esterno della camera di accelerazione. La focalizzazione delle particelle nel piano mediano degli elettrodi è realizzata dal campo elettrico nella zona centrale dell'orbita e dal campo magnetico nella zona periferica. Il principio in base al quale funziona l'acceleratore circolare fu scoperto da E.D. Lawrence nel 1930 a seguito di una pubblicazione di Wideröe sull'acceleratore lineare a impulsi. La validità di tale principio venne verificata nel primo ciclotrone, costruito da M.S. Livingston sotto la guida di Lawrence nel 1931, che poté accelerare un fascio di ioni di idrogeno molecolare ionizzato a 80 keV con una tensione oscillante di soli 2000 volt. Il ciclotrone, largamente diffuso nei laboratori di fisica nucleare (utilizzato per lo studio delle reazioni nucleari, per l'irraggiamento e la produzione di isotopi in chimica nucleare), consente di accelerare fasci di notevole intensità (fino a 1 mA) di protoni, deutoni e altri ioni leggeri. L'energia massima raggiunta nei grandi ciclotroni è di 22 MeV per i protoni e di 24 MeV per i deutoni. Per energie maggiori intervengono effetti relativistici (quale l'aumento della massa delle particelle previsto dalla teoria della relatività) che fanno variare la frequenza di rotazione, distruggendo il sincronismo con il campo elettrico.

Acceleratori circolari: sincrociclotrone

Questo acceleratore, a campo di guida B fisso e a modulazione di frequenza del campo elettrico periodico, è stato studiato per potere accelerare i protoni (e gli ioni leggeri) nella zona di energia relativistica: in una gamma di energia fino a 200 MeV per studi nucleari (diffusione nucleone-nucleone) e in una gamma da 400 a 700 MeV per la produzione di mesoni e lo studio delle interazioni mesoniche. Per particelle di queste energie, a causa dell'aumento della massa, la frequenza di rotazione f delle particelle diminuisce all'aumentare dell'energia cinetica T:

(c indica la velocità della luce; q, m0 carica e massa a riposo della particella). Secondo il principio di stabilità di fase si può mantenere il sincronismo di fase tra il moto della particella e il campo elettrico acceleratore diminuendo periodicamente la frequenza dell'oscillatore. Ne risulta un fascio impulsato assai breve il cui periodo di ripetizione è dato dal periodo della modulazione di frequenza. Il primo sincrociclotrone fu sperimentato da Lawrence nel 1946. Venne modificato il ciclotrone esistente di 184 pollici modulando la frequenza dell'oscillatore per mezzo di un condensatore variabile rotativo e si ottennero deutoni di 190 MeV e particelle alfa di 380 MeV. Nei sincrociclotroni successivi si mantenne la struttura generale del ciclotrone con leggere modifiche consistenti nella soppressione di un D (la tensione a radiofrequenza è applicata tra l'unico D e la parete della camera a vuoto) e nell'aggiunta di un dispositivo di deflessione magnetica per l'estrazione del fascio. Il diametro delle espansioni polari aumenta pressoché linearmente con l'energia (il volume e la massa del magnete risultano quindi proporzionali al cubo dell'energia) e raggiunge circa 5 metri nei grandi sincrociclotroni. Si presenta così un limite, d'ordine economico, vicino a 1 GeV dovuto anche al fatto che l'utilizzazione della modulazione di frequenza e la difficoltà di estrazione del fascio limitano l'intensità di quest'ultimo: a 0,5÷2 μA per il fascio interno e a solo qualche nA per il fascio estratto.

Acceleratori circolari: ciclotrone isocrono

È un ciclotrone in cui si accelerano particelle relativistiche mantenendo costante la loro frequenza di rotazione mediante un'opportuna configurazione del campo di guida ottenuta con una disposizione a settori delle facce polari. Il principio di funzionamento dei ciclotroni isocroni, detti a focalizzazione settoriale, fu enunciato da L.H. Thomas nel 1938, ripreso e studiato nel 1950 e completato dalle ricerche del gruppo MURA (Midwestern Universities Research Association) sulla stabilità orbitale e di fase. I ciclotroni isocroni a focalizzazione settoriale vengono più specificamente chiamati AVF (dall'inglese Azimuthally Varying Field) onde indicare la variazione azimutale del campo di guida, oppure FFAG (Fixed Field Alternate Gradient) nel caso degli acceleratori a campo fisso e a gradiente alternato con variazione spirale del campo. Il magnete dell'AVF presenta tre o più settori che generano un campo intenso alternati ad altrettante regioni che generano un campo debole. La traiettoria del fascio assume la forma di un poligono curvilineo ed è mantenuta stabile dal campo medio sull'orbita che aumenta radialmente in modo da mantenere costante la frequenza di rotazione delle particelle nonostante l'aumento relativistico della massa. I ciclotroni isocroni vengono impiegati per accelerare protoni e altri ioni positivi con energie da 15 a 50 MeV.

Acceleratori circolari: ciclotrone a orbite separate

È un acceleratore a traiettoria elicoidale delle particelle con una grande separazione delle differenti orbite che consente l'estrazione quasi totale del fascio. Questi acceleratori, chiamati SOC (Separated Orbit Cyclotrons), riprendono parte dei principi e delle strutture del ciclotrone isocrono, del sincrociclotrone e dell'acceleratore lineare. Gli ioni vengono immessi in cavità acceleratrici alimentate da una tensione a radiofrequenza; le cavità presentano una disposizione anulare e tra di esse sono interposti dei magneti settoriali il cui campo d'induzione ha la funzione di guidare e focalizzare il fascio su un'orbita elicoidale.

Acceleratori circolari: betatrone

È un acceleratore per elettroni in cui l'accelerazione è prodotta dalla forza elettromotrice generata dalla variazione di un campo d'induzione magnetica. Il betatrone, o acceleratore a induzione, utilizza il principio del trasformatore: il primario è costituito da un avvolgimento alimentato da una tensione a bassa frequenza con valore di cresta di 50÷100 kV, e il fascio di elettroni, confinato in un toroide a vuoto spinto (≤ 10-5 mmHg) chiamato ciambella, funge da secondario. Gli elettroni, emessi da un cannone elettronico, sono mantenuti su un'orbita circolare di raggio costante dal campo d'induzione magnetica e vengono accelerati dal campo elettromotore prodotto dalla variazione del flusso dell'induzione magnetica. Affinché l'orbita descritta abbia un raggio costante, il campo d'induzione magnetica lungo la traiettoria deve aumentare proporzionalmente all'energia delle particelle. Il campo elettrico indotto accelera gli elettroni durante un quarto di periodo, tempo entro il quale dopo alcune centinaia di migliaia di rivoluzioni essi raggiungono l'energia massima. Il fascio viene allora deviato dall'orbita stabile e diretto su un bersaglio posto all'interno della ciambella; oppure estratto. La stabilità orbitale del fascio è ottenuta dando una particolare configurazione alle espansioni polari del magnete di forma anulare nel cui traferro è posta la ciambella. D.W. Kerst costruì nel 1940 il primo betatrone (in grado di comunicare agli elettroni un'energia di 2,3 MeV) all'Università dell'Illinois. I betatroni, costruiti in piccola serie, producono fasci da 10 a 30 MeV e consentono di generare raggi X penetranti di notevole intensità, utilizzati, oltre che per le ricerche di fisica nucleare, per la radiografia e la stereoradiografia industriale e per il trattamento dei tumori.

Acceleratori circolari: microtrone

È un acceleratore per elettroni funzionante in base al principio di stabilità di fase. Concepito da V.I. Veksler nel 1945, esso consente di raggiungere energie di qualche decina di MeV e presenta rispetto al betatrone il vantaggio di una facile estrazione del fascio. La struttura dell'acceleratore, formato da una camera circolare a vuoto spinto posta nel traferro di un elettromagnete, è simile a quella del ciclotrone; il principio di accelerazione, data la velocità degli elettroni praticamente costante e prossima alla velocità della luce, è però differente. Gli elettroni emessi dalla sorgente sono accelerati in una piccola cavità a radiofrequenza posta vicino al bordo della camera a vuoto e, per effetto del campo magnetico, descrivono traiettorie circolari di raggio crescente tangenti alla cavità.

Acceleratori circolari: sincrotrone

È un acceleratore circolare per elettroni (elettrosincrotrone) e per protoni (protosincrotrone), basato sul principio di stabilità di fase. In questo acceleratore le particelle sono mantenute su un'orbita stabile di raggio costante in sincronismo permanente con il campo elettrico acceleratore fino a raggiungere energie dell'ordine del GeV. I sincrotroni appartengono alla terza fase di sviluppo degli acceleratori, considerando come prima fase quella dei generatori elettrostatici ad accelerazione diretta e come seconda fase quella degli acceleratori a risonanza in cui la forza accelerante, in sincronismo con il moto delle particelle, viene applicata ripetutamente lungo la traiettoria (ciclotroni e primi acceleratori lineari). Questi acceleratori hanno una struttura anulare; il fascio è confinato in una ciambella a vuoto spinto e vi viene iniettato dopo una preaccelerazione che porta l'energia delle particelle fino a qualche MeV. La traiettoria, fissata dal campo di guida prodotto da settori magnetici, è approssimativamente circolare; viene mantenuta stabile durante l'accelerazione mediante variazione del campo magnetico, in sincronismo con la velocità della particella. La focalizzazione forte, che si basa sull'impiego di un campo di guida a struttura periodica, ha permesso di aumentare enormemente l'energia. Negli anelli di accumulazione le particelle, dopo l'accelerazione, sono inviate in una camera toroidale ad alto vuoto posta nel traferro di un elettromagnete anulare a campo di guida fisso e restano così in circolazione su un'orbita stabile.

Acceleratori circolari: elettrosincrotrone

L'elettrosincrotrone consente di accelerare, entro un'orbita circolare di raggio pressoché costante, fasci di elettroni con velocità sensibilmente uguale alla velocità della luce. Per ottenere traiettorie circolari la ciambella nella quale circola il fascio è posta in un elettromagnete anulare il cui campo d'induzione varia periodicamente alla frequenza di qualche decina di hertz. L'accelerazione è ottenuta mediante un campo elettrico a radiofrequenza applicato in un intervallo della traiettoria; se la frequenza è costante e uguale alla frequenza di rotazione f, con f=c/r (c, velocità della luce; r, raggio dell'orbita stabile), si hanno stabilità orbitale e stabilità di fase nell'intervallo in cui il campo d'induzione B passa da un valore minimo a un valore massimo. Questi valori dipendono, dato il raggio della traiettoria, dall'energia cinetica T iniziale e finale degli elettroni secondo la relazione T=cerB (e, carica dell'elettrone). Risulta da questa equazione che l'energia massima raggiungibile è funzione dell'induzione massima che si può ottenere e delle dimensioni dell'elettromagnete. Inoltre, a energie di qualche GeV, si ha una limitazione essenziale a causa dell'emissione di radiazione (radiazione o luce di sincrotrone) dovuta alla forza di accelerazione centrale. Questo effetto tende a frenare il fascio e provoca la dispersione di una frazione dell'energia acquisita. Esso può essere compensato aumentando il numero delle cavità acceleratrici. Il primo elettrosincrotrone (8 MeV) è stato costruito in Gran Bretagna per verificare il principio di stabilità di fase. A McMillan è dovuto il primo acceleratore ad alta energia (320 MeV) di questo tipo, ultimato all'Università della California nel 1949. L'introduzione del principio di focalizzazione forte a gradiente alternato permette di ridurre le dimensioni del magnete e l'apertura del traferro. Si ottengono in tal modo energie maggiori e intensità di fasci comparabili a quelle degli acceleratori lineari.

Acceleratori circolari: protosincrotrone

Il principio su cui si basa il funzionamento degli elettrosincrotroni non si può applicare all'accelerazione dei protoni poiché la velocità di queste particelle aumenta con l'energia fino a qualche decina di GeV. La frequenza orbitale dei protoni relativistici posti in un'orbita circolare diminuisce con l'aumentare dell'energia cinetica T:

(c, velocità della luce; q, m0, carica e massa a riposo del protone; B, campo di guida; . Quindi per avere una traiettoria stabile è necessario non solo aumentare il campo di guida B, per mantenere costante il raggio dell'orbita, ma anche modulare la frequenza d'oscillazione del campo elettrico per conservare il sincronismo di fase tra la frequenza di rotazione e la frequenza del campo elettrico acceleratore. Il protosincrotrone è costituito in genere di quattro settori magnetici di 90 gradi circa, collegati da altrettanti raccordi rettilinei riservati all'iniezione delle particelle preaccelerate a qualche MeV da una macchina elettrostatica o da un acceleratore lineare, all'applicazione del campo elettrico acceleratore, al collocamento di elettrodi di misura del fascio, al bersaglio o al dispositivo di estrazione del fascio. Il primo progetto di un acceleratore a protoni con magnete anulare, a modulazione di frequenza del campo elettrico e a variazione periodica del campo d'induzione magnetica, venne formulato nel 1943 da M.L. Oliphant dell'Università di Birmingham in Gran Bretagna. In questa stessa università egli diresse la realizzazione di un protosincrotrone di 1 GeV che entrò in servizio nel 1953. Negli Stati Uniti gli studi sui protosincrotroni vennero intrapresi nel 1947, a seguito del lavoro di McMillan, nei laboratori di Brookhaven e all'Università di Berkeley. Ne risultò la costruzione del Cosmotrone di 3 GeV e del Bevatrone di 6,4 GeV, ultimati rispettivamente nel 1952 e nel 1954. Altri protosincrotroni di questo tipo entrarono in servizio negli anni successivi: il Sincrofasotrone del centro di Dubna presso Mosca (10 GeV) in seguito convertito in acceleratori per ioni pesanti, il Saturne di Saclay in Francia (2,5 GeV) e il Nimrod di Harvell in Gran Bretagna (7 GeV).

Acceleratori circolari: I primi grandi protosincrotroni

L'introduzione del principio di focalizzazione forte a gradiente di campo alternato permise di diminuire le instabilità orbitali e di migliorare le potenzialità dei protosincrotroni. Sviluppato a Brookhaven nel 1952 da E. D. Courant e M. S. Livingston, il principio consentì di costruire nuovi tipi di protosincrotroni, gli AGS. Negli anni Sessanta i più grandi AGS erano quello del CERN, in funzione dal 1959 a Ginevra, con 28 GeV di energia, quello di Brookhaven, in funzione dal 1960, con 44 GeV di energia e quello di Serpuhov (Mosca) in funzione dal 1967 con 70 GeV, tutti utilizzati per lo studio delle particelle fondamentali.Protosincrotroni sempre più grandi e potenti vennero costruiti negli anni successivi e tra questi posti di assoluta preminenza, anche nei progressi della fisica, di cui costituirono gli strumenti essenziali di ricerca, occuparono il protosincrotrone del Fermi Laboratory di Batavia (o Fermilab), vicino a Chicago, il primo (1976) a portare dei protoni a più di 100 GeV, e il protosincrotrone SPS (chiamato proprio SuperProtoSincrotrone) del CERN costruito presso Ginevra, entrato in funzione nel 1977, che accelerava protoni a un'energia di 400 GeV, con un'intensità di 1013 protoni accelerati ogni otto secondi. Le due macchine avevano caratteristiche simili: erano costituite da un anello di circa due km di diametro e le particelle accelerate venivano tenute su un'orbita circolare da magneti tradizionali tra cui erano inserite le cavità acceleranti secondo il principio di funzionamento dei sincrotroni.

Bibliografia (per la fisica nucleare)

M. S. Livingston, High Energy Accelerators, New York, 1954; Proceeding of International Conference on High Energy Instrumentation, Ginevra, 1959; E. Persico, Lezioni sulle macchine acceleratrici, C.N.E.N., 1959; I. F. Quercia, Gli acceleratori di particelle, Bologna, 1962; M. S. Livingston, J. P. Blewett, Particle Accelerators, New York, 1962; A. Bandini Buti, Gli acceleratori per fisica nucleare, Milano, 1976; S. Weinberg, La scoperta delle particelle subatomiche, Bologna, 1986; S. Lampariello Rosei, La macchina di luce di sincrotrone, Trieste, 1988.