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Ciclotrone

Che cos'è il ciclotrone?

Il ciclotrone è un acceleratore di particelle che accelera particelle e ioni pesanti (deutoni, particelle α, ioni di idrogeno molecolare) in un campo magnetico costante nel tempo.

Principio di funzionamento di un ciclotrone

La struttura acceleratrice di un ciclotrone è costituita da due elettrodi a forma di D (si veda immagine seguente) tra i quali viene applicato il campo elettrico ed entro i quali le particelle compiono le loro orbite circolari. Tale struttura è contenuta in una speciale camera in cui viene praticato il vuoto (circa 10-7 mmHg).

La camera è posta tra le espansioni polari di un magnete il cui campo serve per mantenere le particelle sull'orbita. L'orbita descritta dalla particelle all'interno del ciclotrone è a spirale e le particelle la percorrono con velocità tale che il loro periodo di rivoluzione nel campo magnetico uguagli il periodo del campo elettrico alternato, a frequenza costante (cioè nelle condizioni di risonanza).

La sorgente di particelle è di solito una sorgente ad arco alimentata con un gas scelto in funzione del tipo di ioni che si vogliono produrre.

ciclotrone principio di funzionamento

I due elettrodi a forma di D di un ciclotrone.

Per far sì che le particelle raggiungano l'energia voluta con un numero limitato di giri è necessario lavorare con alte tensioni applicate agli elettrodi a forma di "D"; ciò richiede generatori a radiofrequenza in grado di fornire potenze elevate.

Variando in modo opportuno il campo magnetico e la tensione acceleratrice è possibile accelerare in una stessa macchina ioni di tipo diverso (deutoni, particelle α, ioni di idrogeno molecolare, ecc.).

Il principio del ciclotrone fu proposto nel 1930 da E. O. Lawrence dell'Università della California e la prima macchina basata su questo principio fu costruita nel 1931 dallo stesso ricercatore e da M. S. Livingston: grazie a questo acceleratore di particelle si ottennero protoni da 1 MeV.

Per l'estrema semplicità e le notevoli intensità dei fasci di particelle da esso ottenibili, il ciclotrone ottenne subito un'ampia diffusione ma fu presto abbandonato per la limitata energia raggiungibile dovuta al fatto che l'aumento relativistico della massa delle particelle impediva di mantenere le condizioni di risonanza; dal ciclotrone derivarono però nuove macchine (sincrotrone, sincrociclotrone) che superavano questo limite grazie a opportune variazioni del campo magnetico o della frequenza.

Nuova generazione di ciclotroni

La scoperta del principio della focalizzazione forte ha permesso di costruire una nuova generazione di ciclotroni con espansioni polari a forma di settori alternativamente alti e bassi ("creste" e "valli"), oppure con espansioni intercalate da zone vuote.

Queste nuove macchine, che superano brillantemente le limitazioni relativistiche e che possono spesso raggiungere energie molto elevate, hanno rilanciato l'impiego del ciclotrone, che trova oggi notevoli applicazioni mediche (trattamento dei tumori, fabbricazione di traccianti radioattivi) e tecnologiche (analisi non distruttiva dei materiali).

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