Sincrotrone: differenze tra le versioni
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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 [[fisica delle superfici|delle superfici]]. |
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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
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 nucleari e subnucleari;
- i sincrotroni per lo studio della fisica dello stato solido e delle superfici sono costruiti in modo da produrre radiazione elettromagnetica.
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 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 ancora operativi è il Bevatron del Lawrence Berkeley National Laboratory, costruito nel 1950. È così chiamato perché la sua energia è dell'ordine dei 6,3 Gigaelettronvolt, che in inglese era in passato espresso come 6,3 Billion of electronvolts, abbreviati in BeV. Con questa macchina sono stati creati elementi chimici artificiali previsti dalla tavola periodica. In questi stessi laboratori è installata anche una delle prime camere a bolle utilizzata per esaminare le particelle generate dagli scontri tra atomi prodotti con l'acceleratore.
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 gli eccessivi costi.
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 (superconduzione, refrigerazione, rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina, inaugurata ufficialmente il 21 ottobre 2008, è attualmente in grado di raggiungere energie di 7 TeV (già record mondiale), ma è previsto che potrà raggiungere 14 Teraelettronvolt nei primi mesi del 2013 (1 Tera = 1012).
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 ed è stato adottato, da allora, da tutte le macchina acceleratrici nel mondo. Dopo la realizzazione del prototipo AdA, vedrà la luce, nel 1967, il fratello maggiore ADONE che verrà 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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Storage_ring_it.svg/300px-Storage_ring_it.svg.png)
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 (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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Sch%C3%A9ma_de_principe_du_synchrotron.jpg/300px-Sch%C3%A9ma_de_principe_du_synchrotron.jpg)
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
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 gigaelettronvolt. 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.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9f/Undulator.png/300px-Undulator.png)
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 esperienze in molti campi della fisica, della chimica e dell'ingegneria dei materiali.
Applicazioni
La radiazione elettromagnetica prodotta dall'accelerazione di particelle cariche all'interno del sincrotrone è chiamata Radiazione di sincrotrone ed ha diversi utilizzi.
- Cristallografia di proteine e grandi molecole organiche e non
- Analisi chimiche per determinazioni di composizione
- Osservazione di cellule viventi e le loro interazioni molecolari
- Incisione di chip elettronici
- Analisi e controllo di semiconduttori
- Studi di fluorescenza
- Individuazione di droga
- Analisi di materiali in geologia
- Diagnosi per immagini in medicina
Elenco dei principali sincrotroni
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/00/SOLEIL_le_01_juin_2005.jpg/220px-SOLEIL_le_01_juin_2005.jpg)
Nome | Acronimo del nome | Località | Note |
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Advanced Light Source | ALS | ![]() ![]() |
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Advanced Photon Source | APS | ![]() ![]() |
|
ALBA Synchrotron | ALBA | ![]() |
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ANKA Synchrotron Strahlungsquelle | ![]() |
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Australian Synchrotron | ![]() |
In costruzione | |
Beijing Synchrotron Radiation Facility | BSRF | ![]() |
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Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung | BESSY | ![]() |
|
Canadian Light Source | CLS | ![]() |
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Center for Advanced Microstructures and Devices | CAMD | ![]() ![]() |
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Center for Advanced Technology (INDUS-1 and INDUS-2) | ![]() |
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Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica | CNAO | ![]() |
|
Cornell High Energy Synchrotron Source | CHESS | ![]() ![]() |
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DAΦNE | ![]() |
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Diamond | ![]() |
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Dortmund Electron Test Accelerator | DELTA | ![]() |
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Electron Stretcher Accelerator | ELSA | ![]() |
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Electrotechnical Laboratory Electron Accelerator Facility (NIJI-II, NIJI-IV, TERAS) | ![]() |
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Elettra Sincrotrone Trieste | Elettra | ![]() |
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European Synchrotron Radiation Facility | ESRF | ![]() |
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Hamburger Synchrotronstrahlungslabor | HASYLAB | ![]() |
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Institute for Storage Ring Facilities | ISA, ASTRID | ![]() |
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Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique | LURE | ![]() |
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Laboratório Nacional de Luz Síncrotron | LNLS | ![]() |
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Large Hadron Collider | LHC | ![]() |
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MAX-lab | ![]() |
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Nano-hana Project | ![]() |
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National Synchrotron Light Source | NSLS | ![]() ![]() |
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National Synchrotron Radiation Laboratory | NSRL | ![]() |
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National Synchrotron Radiation Research Center | NSRRC | ![]() |
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National Synchrotron Research Center | NSRC | ![]() |
|
Photon Factory | PF | ![]() |
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Pohang Accelerator Laboratory | ![]() |
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Proton Synchrotron | PS | ![]() |
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Siberian Synchrotron Radiation Centre | SSRC | ![]() |
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Singapore Synchrotron Light Source | SSLS | ![]() |
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SOLEIL Synchrotron | ![]() |
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Stanford Synchrotron Radiation Laboratory | SSRL | ![]() ![]() |
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Super Photon Ring - 8 GeV (SPring8) | ![]() |
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Super Proton Synchrotron | SPS | ![]() |
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Swiss Light Source | SLS | ![]() |
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Synchrotron Radiation Center | SRC | ![]() ![]() |
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Synchrotron Radiation Source | SRS | ![]() |
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Synchrotron Ultraviolet Radiation Facilty (SURF III) | ![]() ![]() |
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UVSOR Facility | ![]() |
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VSX Light Source | ![]() |
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Max IV | ![]() |
In costruzione |
Voci correlate
Altri progetti
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