Sincrotrone: differenze tra le versioni

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[[Immagine:Aust.-Synchrotron-Interior-Panorama,-14.06.2007.jpg|thumb|right|300px|Interno dell'Australian Synchrotron facility]]Il '''sincrotrone''' è un tipo di [[acceleratore di particelle]] circolare e ciclico, in cui il [[campo magnetico]] (necessario per curvare la traiettoria delle particelle) e il [[campo elettrico]] variabile (che accelera le particelle) sono sincronizzati con il fascio delle particelle stesse.
[[File:Aust.-Synchrotron-Interior-Panorama,-14.06.2007.jpg|thumb|upright=1.4|Interno dell'Australian Synchrotron facility]]Il '''sincrotrone''' è un tipo di [[acceleratore di particelle]] circolare e ciclico, in cui il [[campo magnetico]] (necessario per curvare la traiettoria delle particelle) e il [[campo elettrico]] variabile (che accelera le particelle) sono sincronizzati con il fascio delle particelle stesse.


== Tipi di sincrotrone ==
== Tipi di sincrotrone ==
Esistono due tipi distinti di sincrotrone, che si differenziano per l'uso a cui vengono destinati:
Esistono due tipi distinti di sincrotrone, che si differenziano per l'uso a cui vengono destinati:
# i sincrotroni per lo studio della fisica nucleare sono costruiti in modo da accelerare e far collidere tra loro particelle [[nucleare|nucleari]] e subnucleari;
# I sincrotroni per lo studio della fisica nucleare sono costruiti in modo da accelerare e far collidere tra loro particelle [[nucleare|nucleari]] e subnucleari;
# i sincrotroni per lo studio della chimica-fisica dello stato solido e delle superfici sono costruiti in modo da produrre radiazione elettromagnetica.
# I sincrotroni per lo studio della chimica-fisica dello stato solido e delle superfici sono costruiti in modo da produrre [[radiazione elettromagnetica]].


=== Sincrotroni per lo studio della fisica subnucleare ===
=== Sincrotroni per lo studio della fisica subnucleare ===
I sincrotroni per lo studio della fisica delle particelle elementari sono costruiti in modo da produrre eventi caratteristici della fisica subnucleare. Per questo motivo accelerano delle particelle, solitamente [[elettrone|elettroni]] e [[positrone|positroni]], oppure [[protone|protoni]] e [[antiprotone|anti-protoni]] a velocità prossime a [[velocità della luce|quella della luce]].
I sincrotroni per lo studio della fisica delle particelle elementari sono costruiti in modo da produrre eventi caratteristici della fisica subnucleare. Per questo motivo accelerano delle particelle, solitamente [[elettrone|elettroni]] e [[positrone|positroni]], oppure [[protone|protoni]] e [[antiprotone|anti-protoni]] a velocità prossime a [[velocità della luce|quella della luce]]. I macchinari di questo tipo erano estremamente diffusi negli [[anni 1950|anni cinquanta]] e [[anni 1960|sessanta]] quando la ricerca della fisica nucleare era al suo apice. Oggi le energie richieste per lo studio approfondito della fisica nucleare sono talmente elevate da permettere la costruzione di pochissimi acceleratori competitivi in tutto il mondo. Di conseguenza non si utilizza più il termine "sincrotrone" per riferirsi agli acceleratori per la fisica subnucleare che vengono piuttosto indicati con il termine inglese ''collider'' (collisore).

I macchinari di questo tipo erano estremamente diffusi negli [[anni 1950|anni cinquanta]] e [[anni 1960|sessanta]] quando la ricerca della fisica nucleare era al suo apice. Oggi le energie richieste per lo studio approfondito della fisica nucleare sono talmente elevate da permettere la costruzione di pochissimi acceleratori competitivi in tutto il mondo.

Di conseguenza non si utilizza più il termine "sincrotrone" per riferirsi agli acceleratori per la fisica subnucleare che vengono piuttosto indicati con il termine inglese ''[[collider]]'' (collisore).


Uno dei primi grandi sincrotroni operativi è stato il [[Bevatron]] del [[Lawrence Berkeley National Laboratory]], costruito nel [[1954]]. Venne così chiamato perché la sua energia iniziale era dell'ordine dei 6,3 [[elettronvolt|GeV]], che in inglese era indicato come 6,3 Billion of electronvolts, abbreviati in BeV. Con questa macchina vennero creati [[elemento chimico|elementi]] chimici artificiali previsti dalla [[tavola periodica]]. Nel [[1955]] venne scoperto l'[[antiprotone]] e l'anno successivo l'[[antineutrone]]. In questi stessi laboratori fu installata una delle prime [[Camera a bolle|camere a bolle]] utilizzata per esaminare le particelle generate dagli scontri tra i protoni prodotti con l'acceleratore e atomi su targhetta fissa.
Uno dei primi grandi sincrotroni operativi è stato il [[Bevatron]] del [[Lawrence Berkeley National Laboratory]], costruito nel [[1954]]. Venne così chiamato perché la sua energia iniziale era dell'ordine dei 6,3 [[elettronvolt|GeV]], che in inglese era indicato come 6,3 Billion of electronvolts, abbreviati in BeV. Con questa macchina vennero creati [[elemento chimico|elementi]] chimici artificiali previsti dalla [[tavola periodica]]. Nel [[1955]] venne scoperto l'[[antiprotone]] e l'anno successivo l'[[antineutrone]]. In questi stessi laboratori fu installata una delle prime [[Camera a bolle|camere a bolle]] utilizzata per esaminare le particelle generate dagli scontri tra i protoni prodotti con l'acceleratore e atomi su targhetta fissa.


Il più grande dispositivo di questo tipo proposto è il [[Superconducting Super Collider]] (SSC), che si sarebbe dovuto costruire negli [[Stati Uniti d'America|Stati Uniti]] e avrebbe utilizzato magneti [[Superconduttività|superconduttori]]. Il progetto, già in fase di costruzione fu annullato dal governo per i costi eccessivi.
Il più grande dispositivo di questo tipo proposto è il [[Superconducting Super Collider]] (SSC), che si sarebbe dovuto costruire negli [[Stati Uniti d'America|Stati Uniti]] e avrebbe utilizzato magneti [[Superconduttività|superconduttori]]. Il progetto, già in fase di costruzione fu annullato dal governo per i costi eccessivi. Gli sforzi mondiali si sono concentrati sulla costruzione del grande acceleratore [[Large Hadron Collider|LHC]] (Large Hadron Collider) al [[CERN]], in [[Europa]]. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le tecnologie accessorie ([[superconduttività]], [[refrigerazione]], rivelatori, [[analisi dei dati]] ecc). La macchina, inaugurata ufficialmente il 21 ottobre [[2008]], ha raggiunto energie di 7 [[elettronvolt|TeV]] nel [[2010]], due anni dopo sono state effettuate collisioni all'energia record di 8 [[elettronvolt|TeV]], record che verrà nuovamente superato nel [[2015]] quando LHC inizierà a raggiungere la sua energia finale definitiva: 14 [[elettronvolt|TeV]].

Gli sforzi mondiali si sono concentrati sulla costruzione del grande acceleratore [[Large Hadron Collider|LHC]] (Large Hadron Collider) al [[CERN]], in [[Europa]]. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le tecnologie accessorie ([[superconduttività]], [[refrigerazione]], rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina, inaugurata ufficialmente il 21 ottobre [[2008]], ha raggiunto energie di 7 [[elettronvolt|TeV]] nel [[2010]], due anni dopo sono state effettuate collisioni all'energia record di 8 [[elettronvolt|TeV]], record che verrà nuovamente superato nel [[2015]] quando LHC inizierà a raggiungere la sua energia finale definitiva: 14 [[elettronvolt|TeV]].


L'Italia ha una lunga tradizione nella realizzazione di macchine di questo tipo. Nel [[1958]] vede la luce l'Elettrosincrotrone di Frascati, voluto dal neocostituito [[Comitato Nazionale per le Ricerche Nucleari]] ([[CNRN]]), poi diventato [[CNEN]] nel 1960 e costruito con l'aiuto dell'allora dirigente [[Luciano Cesarini]]. Proprio nel [[1960]], a seguito della geniale intuizione del fisico [[Bruno Touschek]], viene realizzata in questi laboratori AdA (Anello di Accumulazione), la prima macchina al mondo a fasci incrociati (collider). L'idea rivoluzionaria è quella di far circolare nell'anello in direzioni opposte fasci di particelle ed antiparticelle, facendole collidere in punti definiti. Questo schema permette di sfruttare tutta l'energia del fascio e da allora è stato adottato da moltissime macchine acceleratrici nel mondo. Dopo la realizzazione del prototipo AdA, nel [[1967]] venne costruito il fratello maggiore ADONE, utilizzato anche come sorgente di luce di sincrotrone.
L'Italia ha una lunga tradizione nella realizzazione di macchine di questo tipo. Nel [[1958]] vede la luce l'Elettrosincrotrone di Frascati, voluto dal neocostituito [[Comitato Nazionale per le Ricerche Nucleari]] ([[CNRN]]), poi diventato [[CNEN]] nel 1960 e costruito con l'aiuto dell'allora dirigente [[Luciano Cesarini]]. Proprio nel [[1960]], a seguito della geniale intuizione del fisico [[Bruno Touschek]], viene realizzata in questi laboratori AdA (Anello di Accumulazione), la prima macchina al mondo a fasci incrociati (collider). L'idea rivoluzionaria è quella di far circolare nell'anello in direzioni opposte fasci di particelle ed antiparticelle, facendole collidere in punti definiti. Questo schema permette di sfruttare tutta l'energia del fascio e da allora è stato adottato da moltissime macchine acceleratrici nel mondo. Dopo la realizzazione del prototipo AdA, nel [[1967]] venne costruito il fratello maggiore ADONE, utilizzato anche come sorgente di luce di sincrotrone.


Nel [[1971]] l’[[INFN]] viene separato dal CNEN (che nel 1982 diventerà [[ENEA]]) divenendo un ente pubblico e nell’anno successivo i laboratori di Frascati vengono divisi, tra CNEN ed INFN. ADONE resterà in gestione a quest'ultimo ente fino al suo spegnimento, avvenuto nel 1993, per far posto alla nuova macchina DAΦNE. Oggi in Italia opera una moderna sorgente di Luce di Sincrotrone nell'''[[Sistema Trieste|AREA science park]]'' di [[Trieste]], che ospita anche il progetto EUFELE (European Storage Ring Free Electron Laser).
Nel [[1971]] l'[[INFN]] viene separato dal CNEN (che nel 1982 diventerà [[ENEA]]) divenendo un ente pubblico e nell'anno successivo i laboratori di Frascati vengono divisi, tra CNEN ed INFN. ADONE resterà in gestione a quest'ultimo ente fino al suo spegnimento, avvenuto nel 1993, per far posto alla nuova macchina [[DAΦNE]]. Oggi in Italia opera una moderna sorgente di Luce di Sincrotrone nell'''[[Sistema Trieste|AREA science park]]'' di [[Trieste]], che ospita anche il progetto EUFELE (European Storage Ring Free Electron Laser).


====Funzionamento====
====Funzionamento====
[[Immagine:Storage ring it.svg|thumb|right|300px|Grafico dell'anello di accumulazione di un sincrotrone]]
[[File:Storage ring it.svg|thumb|upright=1.4|Grafico dell'anello di accumulazione di un sincrotrone]]
Il sincrotrone deriva dal [[ciclotrone]], nel quale è utilizzato un campo magnetico costante ed un campo elettrico alternato a [[frequenza]] costante. Una variante è il sincrociclotrone, dove il campo magnetico oppure la frequenza del campo elettrico sono variabili in funzione dell'aumentare dell'energia posseduta dalle particelle.
Il sincrotrone deriva dal [[ciclotrone]], nel quale è utilizzato un campo magnetico costante ed un campo elettrico alternato a [[frequenza]] costante. Una variante è il sincrociclotrone, dove il campo magnetico oppure la frequenza del campo elettrico sono variabili in funzione dell'aumentare dell'energia posseduta dalle particelle. Nel sincrotrone, entrambi i campi sono controllati in modo da mantenere l'orbita del fascio di particelle all'interno di un contenitore a forma di [[Toro (geometria)|toroide]] (la forma di una ciambella col buco) cavo all'interno del quale sia stato praticato il [[vuoto (fisica)|vuoto]]. Nella pratica, per macchine di raggio maggiore, vengono usate brevi sezioni diritte, per cui la forma complessiva è poligonale con spigoli arrotondati. Ad ogni angolo è presente un [[magnete]] per curvare la traiettoria del fascio.

Nel sincrotrone, entrambi i campi sono controllati in modo da mantenere l'orbita del fascio di particelle all'interno di un contenitore a forma di [[Toro (geometria)|toro]] (la forma di una ciambella col buco) cavo all'interno del quale sia stato praticato il [[vuoto (fisica)|vuoto]].<br/>
Nella pratica, per macchine di raggio maggiore, vengono usate brevi sezioni diritte, per cui la forma complessiva è poligonale con spigoli arrotondati. Ad ogni angolo è presente un [[magnete]] per curvare la traiettoria del fascio.

L'[[energia]] massima ottenibile da un acceleratore circolare è limitata dall'intensità dei campi magnetici e dal [[Raggio (geometria)|raggio]] massimo dell'orbita delle particelle.


Nel ciclotrone il raggio è limitato dalla dimensione della camera cilindrica in cui le particelle si allargano a spirale dal centro. Il campo magnetico prodotto da un [[magnete]] ordinario è limitata dalla [[saturazione (magnetismo)|saturazione]] del materiale, raggiunta quando tutti i domini magnetici sono allineati. La disposizione di coppie di magneti ordinari lungo tutta la traiettoria di un acceleratore comporterebbe costi elevati.
L'[[energia]] massima ottenibile da un acceleratore circolare è limitata dall'intensità dei campi magnetici e dal [[Raggio (geometria)|raggio]] massimo dell'orbita delle particelle. Nel ciclotrone il raggio è limitato dalla dimensione della camera cilindrica in cui le particelle si allargano a spirale dal centro. Il campo magnetico prodotto da un [[magnete]] ordinario è limitata dalla [[saturazione (magnetismo)|saturazione]] del materiale, raggiunta quando tutti i domini magnetici sono allineati. La disposizione di coppie di magneti ordinari lungo tutta la traiettoria di un acceleratore comporterebbe costi elevati.


Nei sincrotroni queste limitazioni sono superate utilizzando fasci molto stretti focalizzati da magneti piccoli ma il cui campo è molto focalizzato. Il limite di energia applicabile al fascio è determinato dal fatto che una particella carica soggetta ad accelerazione emette energia sotto forma di [[Fotone|fotoni]]. Quando l'energia perduta per emissione elettromagnetica equivale a quella fornita ad ogni ciclo, il fascio non può essere ulteriormente accelerato. Questo limite viene aumentato costruendo acceleratori di raggio maggiore e aggiungendo ad ogni tratto rettilineo numerose cavità a microonde in grado di accelerare ulteriormente il fascio. Le particelle più leggere (per esempio gli [[Elettrone|elettroni]]) perdono una frazione maggiore di energia, per questo negli acceleratori maggiori vengono usate particelle cariche pesanti, come [[Protone|protoni]] e [[Nucleo atomico|nuclei atomici]].
Nei sincrotroni queste limitazioni sono superate utilizzando fasci molto stretti focalizzati da magneti piccoli ma il cui campo è molto focalizzato. Il limite di energia applicabile al fascio è determinato dal fatto che una particella carica soggetta ad accelerazione emette energia sotto forma di [[Fotone|fotoni]]. Quando l'energia perduta per emissione elettromagnetica equivale a quella fornita ad ogni ciclo, il fascio non può essere ulteriormente accelerato. Questo limite viene aumentato costruendo acceleratori di raggio maggiore e aggiungendo ad ogni tratto rettilineo numerose cavità a microonde in grado di accelerare ulteriormente il fascio. Le particelle più leggere (per esempio gli [[Elettrone|elettroni]]) perdono una frazione maggiore di energia, per questo negli acceleratori maggiori vengono usate particelle cariche pesanti, come [[Protone|protoni]] e [[Nucleo atomico|nuclei atomici]].


=== Sincrotroni per la produzione di radiazione ===
=== Sincrotroni per la produzione di radiazione ===
[[Immagine:Schéma de principe du synchrotron.jpg|thumb|right|300px|Schema di principio di un sincrotrone per la produzione di radiazione]]
[[File:Schéma de principe du synchrotron.jpg|thumb|upright=1.4|Schema di principio di un sincrotrone per la produzione di radiazione]]
La maggior parte dei sincrotroni in funzione oggi vengono usati per la produzione di [[raggi X]] [[collimazione|collimati]] e relativamente monocromatici, la cosiddetta [[radiazione di sincrotrone]].
La maggior parte dei sincrotroni in funzione oggi vengono usati per la produzione di [[raggi X]] [[collimazione|collimati]] e relativamente monocromatici, la cosiddetta [[radiazione di sincrotrone]].


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Questi macchinari sono molto più piccoli e relativamente meno costosi dei moderni collisori in quanto funzionano solitamente a energia molto più bassa, dell'ordine di qualche [[giga (prefisso)|G]][[elettronvolt|eV]]. Inoltre utilizzano sempre elettroni perché la loro energia può essere controllata con maggior precisione.
Questi macchinari sono molto più piccoli e relativamente meno costosi dei moderni collisori in quanto funzionano solitamente a energia molto più bassa, dell'ordine di qualche [[giga (prefisso)|G]][[elettronvolt|eV]]. Inoltre utilizzano sempre elettroni perché la loro energia può essere controllata con maggior precisione.


I primi sincrotroni avevano una struttura uguale a quella dei collisori ma, in corrispondenza delle curve dell'anello di accumulazione, dove l'accelerazione subita dagli elettroni provoca l'emissione di radiazione, erano presenti delle finestre da cui la radiazione veniva estratta e trasportata alle camere sperimentali.
I primi sincrotroni avevano una struttura uguale a quella dei collisori ma, in corrispondenza delle curve dell'anello di accumulazione, dove l'accelerazione subita dagli elettroni provoca l'emissione di radiazione, erano presenti delle finestre da cui la radiazione veniva estratta e trasportata alle camere sperimentali.


[[Immagine:Undulator.png|thumb|right|300px|Schema di un ondulatore. 1) magneti 2) fascio elettronico 3) radiazione di sincrotrone]]
[[File:Undulator.png|thumb|upright=1.4|Schema di un ondulatore. 1) magneti 2) fascio elettronico 3) radiazione di sincrotrone]]
I sincrotroni di nuova generazione, costruiti a partire dagli [[anni 1990|anni '90]], sono invece molto diversi dai collisori in quanto contengono dei sistemi di magneti progettati in modo da stimolare la produzione di radiazione elettromagnetica. Questi sistemi, detti [[ondulatore|ondulatori]] forzano gli elettroni a percorrere delle traiettorie [[sinusoide|sinusoidali]] o a [[spirale]]; permettono la produzione di luce molto più collimata e persino polarizzata circolarmente nella maniera desiderata.
I sincrotroni di nuova generazione, costruiti a partire dagli [[anni 1990|anni novanta]], sono invece molto diversi dai collisori in quanto contengono dei sistemi di magneti progettati in modo da stimolare la produzione di radiazione elettromagnetica. Questi sistemi, detti [[ondulatore|ondulatori]] forzano gli elettroni a percorrere delle traiettorie [[sinusoide|sinusoidali]] o a [[spirale]]; permettono la produzione di luce molto più collimata e persino polarizzata circolarmente nella maniera desiderata.


In [[Italia]] il più potente sincrotrone operativo è quello installato nell'''[[Sistema Trieste|AREA science park]]'' di [[Trieste]]. La macchina fa parte del complesso ELETTRA, in grado di produrre fasci con energia di 2-2,4 [[giga (prefisso)|G]][[elettronvolt|eV]], a disposizione della comunità scientifica internazionale per esperimenti in molti campi della [[fisica]], della [[chimica]] e dell'[[ingegneria]] dei materiali.
In [[Italia]] il più potente sincrotrone operativo è quello installato nell'''[[Sistema Trieste|AREA science park]]'' di [[Trieste]]. La macchina fa parte del complesso ELETTRA, in grado di produrre fasci con energia di 2-2,4 [[giga (prefisso)|G]][[elettronvolt|eV]], a disposizione della comunità scientifica internazionale per esperimenti in molti campi della [[fisica]], della [[chimica]] e dell'[[ingegneria]] dei materiali.
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==Elenco dei principali sincrotroni==
==Elenco dei principali sincrotroni==
[[Immagine:SOLEIL le 01 juin 2005.jpg|thumb|right|Esterno del sincrotrone SOLEIL in Francia]]
[[File:SOLEIL le 01 juin 2005.jpg|thumb|Esterno del sincrotrone SOLEIL in Francia]]


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! Nome!! Acronimo del nome!! Località!! Note
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| ALBA Synchrotron || ALBA || {{Bandiera|Spagna}} [[Barcellona]] ||
| ALBA Synchrotron || ALBA || {{Bandiera|Europa}} {{Bandiera|Spagna}} [[Barcellona]] ||
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| Australian Synchrotron || || {{Bandiera|Australia}} [[Melbourne]] || In costruzione
| Australian Synchrotron || || {{Bandiera|Australia}} [[Melbourne]] || In costruzione
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| Beijing Synchrotron Radiation Facility || BSRF || {{Bandiera|Cina}} [[Pechino]] ||
| Beijing Synchrotron Radiation Facility || BSRF || {{Bandiera|Cina}} [[Pechino]] ||
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| Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung || BESSY || {{Bandiera|Germania}} [[Berlino]] ||
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| Laboratório Nacional de Luz Síncrotron || LNLS || {{Bandiera|Brasile}} [[San Paolo (città)|San Paolo]] ||
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| [[Large Hadron Collider]] || LHC || {{Bandiera|Svizzera}} [[Ginevra]] ||
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| Nano-hana Project || || {{Bandiera|Giappone}} [[Ichihara]] ||
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| National Synchrotron Light Source || NSLS || {{Bandiera|Stati Uniti}} {{Bandiera|New York}} [[Brookhaven]] ||
| National Synchrotron Light Source || NSLS || {{Bandiera|Stati Uniti}} {{Bandiera|New York}} [[Brookhaven (New York)|Brookhaven]] ||
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| Singapore Synchrotron Light Source || SSLS || {{Bandiera|Singapore}} [[Singapore]] ||
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| SOLEIL Synchrotron || || {{Bandiera|Francia}} [[Saint-Aubin (Essonne)|Saint-Aubin]] ||
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| Stanford Synchrotron Radiation Laboratory || SSRL || {{Bandiera|Stati Uniti}} {{Bandiera|California}} [[Menlo Park]] ||
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| Swiss Light Source || SLS || {{Bandiera|Svizzera}} [[Villigen]] ||
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| Synchrotron Ultraviolet Radiation Facilty (SURF III) || || {{Bandiera|Stati Uniti}} {{Bandiera|Maryland}} [[Gaithersburg]] ||
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| VSX Light Source || || {{Bandiera|Giappone}} [[Kashiwa]] ||
| VSX Light Source || || {{Bandiera|Giappone}} [[Kashiwa]] ||
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| Max IV || || {{Bandiera|Svezia}} [[Lund (Svezia)|Lund]] || In costruzione
| Max IV || || {{Bandiera|Europa}} {{Bandiera|Svezia}} [[Lund (Svezia)|Lund]] || In costruzione


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== Altri progetti ==
== Altri progetti ==
{{interprogetto|commons=Category:Synchrotrons}}
{{interprogetto|etichetta=sincrotone|wikt}}


==Collegamenti esterni==
==Collegamenti esterni==
*[http://www.elettra.eu/ Elettra Sincrotrone Trieste]
*{{cita web|http://www.elettra.eu/|Elettra Sincrotrone Trieste}}
*[http://ilo.elettra.eu/ Industrial Liaison Office Elettra Sincrotrone Trieste]
*{{cita web|http://ilo.elettra.eu/|Industrial Liaison Office Elettra Sincrotrone Trieste}}
*{{Treccani|sincrotrone}}


{{Controllo di autorità}}
{{portale|Elettromagnetismo|Fisica}}
{{portale|Elettromagnetismo|Fisica}}


Versione attuale delle 09:30, 2 feb 2024

Interno dell'Australian Synchrotron facility

Il sincrotrone è un tipo di acceleratore di particelle circolare e ciclico, in cui il campo magnetico (necessario per curvare la traiettoria delle particelle) e il campo elettrico variabile (che accelera le particelle) sono sincronizzati con il fascio delle particelle stesse.

Tipi di sincrotrone

[modifica | modifica wikitesto]

Esistono due tipi distinti di sincrotrone, che si differenziano per l'uso a cui vengono destinati:

  1. I sincrotroni per lo studio della fisica nucleare sono costruiti in modo da accelerare e far collidere tra loro particelle nucleari e subnucleari;
  2. I sincrotroni per lo studio della chimica-fisica dello stato solido e delle superfici sono costruiti in modo da produrre radiazione elettromagnetica.

Sincrotroni per lo studio della fisica subnucleare

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I sincrotroni per lo studio della fisica delle particelle elementari sono costruiti in modo da produrre eventi caratteristici della fisica subnucleare. Per questo motivo accelerano delle particelle, solitamente elettroni e positroni, oppure protoni e anti-protoni a velocità prossime a quella della luce. I macchinari di questo tipo erano estremamente diffusi negli anni cinquanta e sessanta quando la ricerca della fisica nucleare era al suo apice. Oggi le energie richieste per lo studio approfondito della fisica nucleare sono talmente elevate da permettere la costruzione di pochissimi acceleratori competitivi in tutto il mondo. Di conseguenza non si utilizza più il termine "sincrotrone" per riferirsi agli acceleratori per la fisica subnucleare che vengono piuttosto indicati con il termine inglese collider (collisore).

Uno dei primi grandi sincrotroni operativi è stato il Bevatron del Lawrence Berkeley National Laboratory, costruito nel 1954. Venne così chiamato perché la sua energia iniziale era dell'ordine dei 6,3 GeV, che in inglese era indicato come 6,3 Billion of electronvolts, abbreviati in BeV. Con questa macchina vennero creati elementi chimici artificiali previsti dalla tavola periodica. Nel 1955 venne scoperto l'antiprotone e l'anno successivo l'antineutrone. In questi stessi laboratori fu installata una delle prime camere a bolle utilizzata per esaminare le particelle generate dagli scontri tra i protoni prodotti con l'acceleratore e atomi su targhetta fissa.

Il più grande dispositivo di questo tipo proposto è il Superconducting Super Collider (SSC), che si sarebbe dovuto costruire negli Stati Uniti e avrebbe utilizzato magneti superconduttori. Il progetto, già in fase di costruzione fu annullato dal governo per i costi eccessivi. Gli sforzi mondiali si sono concentrati sulla costruzione del grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider) al CERN, in Europa. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le tecnologie accessorie (superconduttività, refrigerazione, rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina, inaugurata ufficialmente il 21 ottobre 2008, ha raggiunto energie di 7 TeV nel 2010, due anni dopo sono state effettuate collisioni all'energia record di 8 TeV, record che verrà nuovamente superato nel 2015 quando LHC inizierà a raggiungere la sua energia finale definitiva: 14 TeV.

L'Italia ha una lunga tradizione nella realizzazione di macchine di questo tipo. Nel 1958 vede la luce l'Elettrosincrotrone di Frascati, voluto dal neocostituito Comitato Nazionale per le Ricerche Nucleari (CNRN), poi diventato CNEN nel 1960 e costruito con l'aiuto dell'allora dirigente Luciano Cesarini. Proprio nel 1960, a seguito della geniale intuizione del fisico Bruno Touschek, viene realizzata in questi laboratori AdA (Anello di Accumulazione), la prima macchina al mondo a fasci incrociati (collider). L'idea rivoluzionaria è quella di far circolare nell'anello in direzioni opposte fasci di particelle ed antiparticelle, facendole collidere in punti definiti. Questo schema permette di sfruttare tutta l'energia del fascio e da allora è stato adottato da moltissime macchine acceleratrici nel mondo. Dopo la realizzazione del prototipo AdA, nel 1967 venne costruito il fratello maggiore ADONE, utilizzato anche come sorgente di luce di sincrotrone.

Nel 1971 l'INFN viene separato dal CNEN (che nel 1982 diventerà ENEA) divenendo un ente pubblico e nell'anno successivo i laboratori di Frascati vengono divisi, tra CNEN ed INFN. ADONE resterà in gestione a quest'ultimo ente fino al suo spegnimento, avvenuto nel 1993, per far posto alla nuova macchina DAΦNE. Oggi in Italia opera una moderna sorgente di Luce di Sincrotrone nell'AREA science park di Trieste, che ospita anche il progetto EUFELE (European Storage Ring Free Electron Laser).

Funzionamento

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Grafico dell'anello di accumulazione di un sincrotrone

Il sincrotrone deriva dal ciclotrone, nel quale è utilizzato un campo magnetico costante ed un campo elettrico alternato a frequenza costante. Una variante è il sincrociclotrone, dove il campo magnetico oppure la frequenza del campo elettrico sono variabili in funzione dell'aumentare dell'energia posseduta dalle particelle. Nel sincrotrone, entrambi i campi sono controllati in modo da mantenere l'orbita del fascio di particelle all'interno di un contenitore a forma di toroide (la forma di una ciambella col buco) cavo all'interno del quale sia stato praticato il vuoto. Nella pratica, per macchine di raggio maggiore, vengono usate brevi sezioni diritte, per cui la forma complessiva è poligonale con spigoli arrotondati. Ad ogni angolo è presente un magnete per curvare la traiettoria del fascio.

L'energia massima ottenibile da un acceleratore circolare è limitata dall'intensità dei campi magnetici e dal raggio massimo dell'orbita delle particelle. Nel ciclotrone il raggio è limitato dalla dimensione della camera cilindrica in cui le particelle si allargano a spirale dal centro. Il campo magnetico prodotto da un magnete ordinario è limitata dalla saturazione del materiale, raggiunta quando tutti i domini magnetici sono allineati. La disposizione di coppie di magneti ordinari lungo tutta la traiettoria di un acceleratore comporterebbe costi elevati.

Nei sincrotroni queste limitazioni sono superate utilizzando fasci molto stretti focalizzati da magneti piccoli ma il cui campo è molto focalizzato. Il limite di energia applicabile al fascio è determinato dal fatto che una particella carica soggetta ad accelerazione emette energia sotto forma di fotoni. Quando l'energia perduta per emissione elettromagnetica equivale a quella fornita ad ogni ciclo, il fascio non può essere ulteriormente accelerato. Questo limite viene aumentato costruendo acceleratori di raggio maggiore e aggiungendo ad ogni tratto rettilineo numerose cavità a microonde in grado di accelerare ulteriormente il fascio. Le particelle più leggere (per esempio gli elettroni) perdono una frazione maggiore di energia, per questo negli acceleratori maggiori vengono usate particelle cariche pesanti, come protoni e nuclei atomici.

Sincrotroni per la produzione di radiazione

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Schema di principio di un sincrotrone per la produzione di radiazione

La maggior parte dei sincrotroni in funzione oggi vengono usati per la produzione di raggi X collimati e relativamente monocromatici, la cosiddetta radiazione di sincrotrone.

Da un punto di vista pratico i sincrotroni sono l'evoluzione delle macchine per la produzione di raggi X a catodo in uso fin dall'inizio del XX secolo. La radiazione viene utilizzata per lo studio della fisica dello stato solido e delle superfici.

Funzionamento

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Questi macchinari sono molto più piccoli e relativamente meno costosi dei moderni collisori in quanto funzionano solitamente a energia molto più bassa, dell'ordine di qualche GeV. Inoltre utilizzano sempre elettroni perché la loro energia può essere controllata con maggior precisione.

I primi sincrotroni avevano una struttura uguale a quella dei collisori ma, in corrispondenza delle curve dell'anello di accumulazione, dove l'accelerazione subita dagli elettroni provoca l'emissione di radiazione, erano presenti delle finestre da cui la radiazione veniva estratta e trasportata alle camere sperimentali.

Schema di un ondulatore. 1) magneti 2) fascio elettronico 3) radiazione di sincrotrone

I sincrotroni di nuova generazione, costruiti a partire dagli anni novanta, sono invece molto diversi dai collisori in quanto contengono dei sistemi di magneti progettati in modo da stimolare la produzione di radiazione elettromagnetica. Questi sistemi, detti ondulatori forzano gli elettroni a percorrere delle traiettorie sinusoidali o a spirale; permettono la produzione di luce molto più collimata e persino polarizzata circolarmente nella maniera desiderata.

In Italia il più potente sincrotrone operativo è quello installato nell'AREA science park di Trieste. La macchina fa parte del complesso ELETTRA, in grado di produrre fasci con energia di 2-2,4 GeV, a disposizione della comunità scientifica internazionale per esperimenti in molti campi della fisica, della chimica e dell'ingegneria dei materiali.

Applicazioni

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La radiazione elettromagnetica prodotta dall'accelerazione di particelle cariche all'interno del sincrotrone è chiamata Radiazione di sincrotrone ed ha diversi utilizzi.

Elenco dei principali sincrotroni

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Esterno del sincrotrone SOLEIL in Francia
Nome Acronimo del nome Località Note
Advanced Light Source ALS Bandiera degli Stati Uniti Bandiera della California Berkeley
Advanced Photon Source APS Bandiera degli Stati Uniti Bandiera dell'Illinois Argonne
ALBA Synchrotron ALBA Bandiera dell'Europa Bandiera della Spagna Barcellona
ANKA Synchrotron Strahlungsquelle Bandiera dell'Europa Bandiera della Germania Karlsruhe
Australian Synchrotron Bandiera dell'Australia Melbourne In costruzione
Beijing Synchrotron Radiation Facility BSRF Bandiera della Cina Pechino
Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung BESSY Bandiera dell'Europa Bandiera della Germania Berlino
Bevatron Bandiera degli Stati Uniti Bandiera della California Berkeley Demolito
Canadian Light Source CLS Bandiera del Canada Saskatoon
Center for Advanced Microstructures and Devices CAMD Bandiera degli Stati Uniti Bandiera della Louisiana Baton Rouge
Center for Advanced Technology (INDUS-1 and INDUS-2) Bandiera dell'India Indore
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica CNAO Bandiera dell'Europa Bandiera dell'Italia Pavia
Cornell High Energy Synchrotron Source CHESS Bandiera degli Stati Uniti Bandiera del New York Ithaca
DAΦNE Bandiera dell'Europa Bandiera dell'Italia Frascati
Diamond Bandiera dell'Europa Bandiera del Regno Unito Didcot
Dortmund Electron Test Accelerator DELTA Bandiera dell'Europa Bandiera della Germania Dortmund
Electron Stretcher Accelerator ELSA Bandiera dell'Europa Bandiera della Germania Bonn
Electrotechnical Laboratory Electron Accelerator Facility (NIJI-II, NIJI-IV, TERAS) Bandiera del Giappone Tsukuba
Elettra Sincrotrone Trieste Elettra Bandiera dell'Europa Bandiera dell'Italia Trieste
European Synchrotron Radiation Facility ESRF Bandiera dell'Europa Bandiera della Francia Grenoble
Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB Bandiera dell'Europa Bandiera della Germania Amburgo
Institute for Storage Ring Facilities ISA, ASTRID Bandiera dell'Europa Bandiera della Danimarca Aarhus
Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique LURE Bandiera dell'Europa Bandiera della Francia Orsay
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron Sirius Bandiera del Brasile San Paolo
Large Hadron Collider LHC Bandiera della Svizzera Ginevra
MAX-lab Bandiera dell'Europa Bandiera della Svezia Lund
Nano-hana Project Bandiera del Giappone Ichihara
National Synchrotron Light Source NSLS Bandiera degli Stati Uniti Bandiera del New York Brookhaven
National Synchrotron Radiation Laboratory NSRL Bandiera della Cina Hefei
National Synchrotron Radiation Research Center NSRRC Bandiera di Taiwan Hsinchu
National Synchrotron Research Center NSRC Bandiera della Thailandia Nakhon Ratchasima
Photon Factory PF Bandiera del Giappone Tsukuba
Pohang Accelerator Laboratory Bandiera della Corea del Sud Pohang
Proton Synchrotron PS Bandiera della Svizzera Ginevra
Siberian Synchrotron Radiation Centre SSRC Bandiera della Russia Novosibirsk
Singapore Synchrotron Light Source SSLS Bandiera di Singapore Singapore
SOLEIL Synchrotron Bandiera dell'Europa Bandiera della Francia Saint-Aubin
Stanford Synchrotron Radiation Laboratory SSRL Bandiera degli Stati Uniti Bandiera della California Menlo Park
Super Photon Ring - 8 GeV (SPring8) Bandiera del Giappone Nishi-Harima
Super Proton Synchrotron SPS Bandiera della Svizzera Ginevra
Swiss Light Source SLS Bandiera della Svizzera Villigen
Synchrotron Radiation Center SRC Bandiera degli Stati Uniti Bandiera del Wisconsin Madison
Synchrotron Radiation Source SRS Bandiera del Regno Unito Daresbury
Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF III) Bandiera degli Stati Uniti Bandiera del Maryland Gaithersburg
UVSOR Facility Bandiera del Giappone Okazaki
VSX Light Source Bandiera del Giappone Kashiwa
Max IV Bandiera dell'Europa Bandiera della Svezia Lund In costruzione

Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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Controllo di autoritàGND (DE) 4184234-0 · J9U (EN, HE) 987007555937705171 · NDL (EN, JA) 00571075
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