Sincrotrone
Che cos'è il sincrotrone?
Il sincrotrone è un acceleratore di particelle a funzionamento ciclico usato per produrre fasci di elettroni o protoni di altissima energia (da molte centinaia di megaelettronvolt MeV a varie migliaia di gigaelettronvolt GeV); le particelle vengono mantenute su orbite chiuse, di dimensioni praticamente costanti al crescere dell'energia, dall'azione di un campo magnetico guida, che viene fatto variare secondo una precisa legge temporale e ha una particolare configurazione spaziale per mantenere il fascio focalizzato.
L'accelerazione delle particelle è prodotta da un sistema di elettrodi ad alta tensione alimentati da una corrente alternata a radiofrequenza; tale frequenza di oscillazione della corrente può essere fissa o variare anch'essa nel tempo, ma è in ogni modo tale da mantenere il sincronismo tra il moto di rivoluzione della particella sulla sua orbita e la variazione della differenza di potenziale tra gli elettrodi, in accordo con il principio di stabilità di fase.
La struttura esterna della macchina è costituita o da un anello, più o meno circolare, di elettromagneti, o da quattro archi di cerchio di 90° d'ampiezza, su cui agisce il campo magnetico, raccordati tra loro da sezioni rettilinee; in ogni caso la camera d'accelerazione è costituita da una "ciambella" toroidale in cui è praticato un alto vuoto; entro di essa sono sistemati gli eventuali bersagli (targets) interni sui quali il fascio primario incide al momento opportuno producendo fasci secondari di particelle di diversi tipi.
Ai fini della trattazione è utile distinguere gli elettrosincrotroni (o sincrotroni per elettroni) dai protosincrotroni (o sincrotroni per protoni) e nell'una e nell'altra classe quelli a focalizzazione forte o a gradiente alternato (AGS, alternating gradient syncrotron) che formano una categoria a sé stante.
Elettrosincrotrone
L'elettrosincrotrone fa uso del principio di stabilità di fase: le particelle sono accelerate su un'orbita di raggio quasi costante, da un campo elettrico a radiofrequenza agente in uno o più punti dell'orbita; al crescere dell'energia delle particelle cresce anche il campo magnetico guida, seguendo l'aumento della quantità di moto della particella.
Il magnete opera ciclicamente: ne risulta, invece che un fascio continuo, una serie di impulsi di elettroni d'alta energia.
Dall'elettrosincrotrone si può estrarre il fascio di raggi γ prodotto nell'urto degli elettroni su un bersaglio interno, ma la maggior utilità di un fascio esterno di elettroni ha spinto a realizzare in parecchie macchine i dispositivi per l'estrazione.
Protosincrotrone
Mentre nel caso dell'elettrosincrotrone, dato che la velocità degli elettroni varia molto lentamente essendo già in partenza vicina a quella della luce, la frequenza di rivoluzione ω0 è praticamente costante e si può quindi usare una frequenza fissa per la tensione alternata acceleratrice, ciò non è possibile per i protoni i quali, avendo massa un migliaio di volte maggiore di quella degli elettroni, non raggiungono velocità prossime a quella della luce se non per energie di vari gigaelettronvolt.
Pertanto, per poter accelerare i protoni su orbite di dimensioni praticamente costanti, realizzando così le economie consentite dall'uso di un magnete anulare, è necessario che vari nel tempo non solo il campo magnetico B che li mantiene sull'orbita stabilita, ma anche la frequenza ωc, del campo elettrico acceleratore: ambedue devono cioè crescere nel tempo.
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