A causa del soffitto di alta tensione imposto dalla scarica elettrica, per accelerare le particelle a energie più elevate, vengono utilizzate tecniche che coinvolgono campi dinamici piuttosto che campi statici. Laccelerazione elettrodinamica può derivare da uno dei due meccanismi: induzione magnetica non risonante o circuiti risonanti o cavità eccitate da campi RF oscillanti. Gli acceleratori elettrodinamici possono essere lineari, con particelle che accelerano in linea retta, o circolari, utilizzando campi magnetici per piegare le particelle in unorbita approssimativamente circolare.
Acceleratori a induzione magneticaModifica
Gli acceleratori a induzione magnetica accelerano particelle per induzione da un campo magnetico crescente, come se le particelle fossero lavvolgimento secondario di un trasformatore. Il campo magnetico crescente crea un campo elettrico circolante che può essere configurato per accelerare le particelle. Gli acceleratori di induzione possono essere lineari o circolari.
Acceleratori di induzione lineare Modifica
Gli acceleratori di induzione lineare utilizzano ferrite, non risonante cavità di induzione. Ciascuna cavità può essere pensata come due grandi dischi a forma di rondella collegati da un tubo cilindrico esterno. Tra i dischi cè un toroide di ferrite. Un impulso di tensione applicato tra i due dischi provoca un campo magnetico crescente che accoppia induttivamente la potenza al fascio di particelle cariche.
Lacceleratore a induzione lineare è stato inventato da Christofilos negli anni 60. Gli acceleratori lineari a induzione sono in grado di accelerare correnti di fascio molto alte (> 1000 A) in un unico breve impulso. Sono stati utilizzati per generare raggi X per la radiografia flash (ad esempio DARHT a LANL) e sono stati considerati come iniettori di particelle per la fusione a confinamento magnetico e come driver per laser a elettroni liberi.
BetatronsEdit
Il Betatron è un acceleratore di induzione magnetica circolare, inventato da Donald Kerst nel 1940 per accelerare gli elettroni. Il concetto deriva alla fine dallo scienziato norvegese-tedesco Rolf Widerøe. Queste macchine, come i sincrotroni, utilizzano un anello magnetico a forma di ciambella (vedi sotto) con un campo B che aumenta ciclicamente, ma accelerano le particelle per induzione dal campo magnetico crescente, come se fossero lavvolgimento secondario di un trasformatore, a causa del cambiare il flusso magnetico attraverso lorbita.
Il raggiungimento di un raggio orbitale costante fornendo il corretto campo elettrico di accelerazione richiede che il flusso magnetico che collega lorbita sia in qualche modo indipendente dal campo magnetico sullorbita, piegando le particelle in una costante curva del raggio. Queste macchine sono state in pratica limitate dalle grandi perdite radiative subite dagli elettroni che si muovono quasi alla velocità della luce in unorbita di raggio relativamente piccolo.
Acceleratori lineari Modifica
Radiofrequenza superconduttiva moderna, componente acceleratore lineare multicella.
In un acceleratore di particelle lineare (linac), le particelle vengono accelerate in linea retta con un obiettivo di interesse a unestremità. Sono spesso utilizzati per fornire un calcio iniziale a bassa energia alle particelle prima che vengano iniettate negli acceleratori circolari. Il linac più lungo del mondo è lo Stanford Linear Accelerator, SLAC, che è lungo 3 km (1,9 mi). SLAC è un collisore elettrone-positrone.
Gli acceleratori lineari ad alta energia utilizzano una serie lineare di piastre (o tubi di deriva) a cui viene applicato un campo alternato ad alta energia. Quando le particelle si avvicinano a una piastra, vengono accelerate verso di essa da una carica di polarità opposta applicata alla piastra. Quando passano attraverso un foro nella piastra, la polarità viene invertita in modo che la piastra ora li respinga e ora siano accelerati da essa verso la piastra successiva. Normalmente un flusso di “grappoli” di particelle viene accelerato, quindi una tensione CA attentamente controllata viene applicata a ciascuna piastra per ripetere continuamente questo processo per ogni gruppo.
Quando le particelle si avvicinano alla velocità della luce, la velocità di commutazione dei campi elettrici diventa così alto da operare a radiofrequenze, e così le cavità a microonde vengono utilizzate in macchine ad alta energia invece di semplici piastre.
Gli acceleratori lineari sono anche ampiamente usati in medicina, per radioterapia e radiochirurgia. I linac di grado medico accelerano gli elettroni utilizzando un klystron e una complessa disposizione del magnete di flessione che produce un fascio di energia di 6-30 MeV. Gli elettroni possono essere utilizzati direttamente oppure possono entrare in collisione con un bersaglio per produrre un fascio di raggi X. Laffidabilità, la flessibilità e laccuratezza del fascio di radiazioni prodotto ha ampiamente soppiantato il vecchio uso della terapia con cobalto-60 come strumento di trattamento.
Acceleratori RF circolari o ciclici Modifica
Nellacceleratore circolare , le particelle si muovono in cerchio fino a raggiungere unenergia sufficiente.La traccia delle particelle è tipicamente piegata in un cerchio utilizzando elettromagneti. Il vantaggio degli acceleratori circolari rispetto agli acceleratori lineari (linac) è che la topologia ad anello consente unaccelerazione continua, poiché la particella può transitare indefinitamente. Un altro vantaggio è che un acceleratore circolare è più piccolo di un acceleratore lineare di potenza comparabile (cioè un linac dovrebbe essere estremamente lungo per avere la potenza equivalente di un acceleratore circolare).
A seconda dellenergia e della particella essendo accelerata, gli acceleratori circolari soffrono di uno svantaggio in quanto le particelle emettono radiazione di sincrotrone. Quando una particella carica viene accelerata, emette radiazioni elettromagnetiche ed emissioni secondarie. Poiché una particella che viaggia in un cerchio accelera sempre verso il centro del cerchio, si irradia continuamente verso la tangente del cerchio. Questa radiazione è chiamata luce di sincrotrone e dipende fortemente dalla massa della particella in accelerazione. Per questo motivo, molti acceleratori di elettroni ad alta energia sono linac. Alcuni acceleratori (sincrotroni) sono tuttavia costruiti appositamente per produrre luce di sincrotrone (raggi X).
Poiché la teoria della relatività speciale richiede che la materia viaggi sempre più lentamente della velocità della luce nel vuoto, in condizioni di acceleratori di energia, poiché lenergia aumenta, la velocità delle particelle si avvicina alla velocità della luce come limite, ma non la raggiunge mai. Pertanto, i fisici delle particelle generalmente non pensano in termini di velocità, ma piuttosto in termini di energia o quantità di moto di una particella, solitamente misurata in elettronvolt (eV). Un principio importante per gli acceleratori circolari e i fasci di particelle in generale, è che la curvatura della traiettoria delle particelle è proporzionale alla carica delle particelle e al campo magnetico, ma inversamente proporzionale alla quantità di moto (tipicamente relativistica).
CyclotronsEdit
Ciclotrone da 60 pollici di Lawrence, con poli magnetici di 60 pollici (5 piedi, 1,5 metri) di diametro, presso lUniversità della California Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, in Agosto 1939, allepoca lacceleratore più potente del mondo. Glenn T. Seaborg e Edwin McMillan (a destra) lo hanno utilizzato per scoprire plutonio, nettunio e molti altri elementi e isotopi transuranici, per i quali hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica nel 1951.
I primi acceleratori circolari operativi erano i ciclotroni, inventati nel 1929 da Ernest Lawrence allUniversità della California, Berkeley. I ciclotroni hanno una singola coppia di piastre cave a forma di “D” per accelerare le particelle e un unico grande magnete dipolo per piegare il loro percorso in unorbita circolare. È una proprietà caratteristica delle particelle cariche in un campo magnetico B uniforme e costante che orbitano con un periodo costante, a una frequenza chiamata frequenza di ciclotrone, purché la loro velocità sia piccola rispetto alla velocità della luce c. Ciò significa che i D “in accelerazione di un ciclotrone possono essere guidati a una frequenza costante da una fonte di alimentazione accelerante a radiofrequenza (RF), poiché il raggio si muove continuamente a spirale verso lesterno. Le particelle vengono iniettate al centro del magnete e vengono estratte a il bordo esterno alla loro massima energia.
I ciclotroni raggiungono un limite di energia a causa di effetti relativistici per cui le particelle diventano effettivamente più massicce, in modo che la loro frequenza di ciclotrone non sia sincronizzata con laccelerazione RF. Pertanto, semplici ciclotroni può accelerare i protoni solo fino a unenergia di circa 15 milioni di elettronvolt (15 MeV, corrispondenti a una velocità di circa il 10% di c), perché i protoni si sfasano con il campo elettrico motore. Se accelerato ulteriormente, il raggio continuerebbe a spirale verso lesterno con un raggio più ampio ma le particelle non guadagnerebbero più velocità sufficiente per completare il cerchio più grande al passo con laccelerazione della RF. Per accogliere gli effetti relativistici, il campo magnetico ha bisogno da aumentare a raggi più alti come si fa nei ciclotroni isocroni. Un esempio di ciclotrone isocrono è il ciclotrone ad anello PSI in Svizzera, che fornisce protoni allenergia di 590 MeV che corrisponde a circa l80% della velocità della luce. Il vantaggio di un tale ciclotrone è la massima corrente di protoni estratta ottenibile che è attualmente 2,2 mA. Lenergia e la corrente corrispondono alla potenza del fascio di 1,3 MW, che è la più alta di qualsiasi acceleratore attualmente esistente.
Sincrociclotroni e ciclotroni isocroniModifica
Un magnete nel sincrociclotrone presso il centro di protonterapia di Orsay
Un ciclotrone classico può essere modificato per aumentare il suo limite di energia. Il primo approccio storico è stato il sincrociclotrone, che accelera le particelle in mazzi.Utilizza un campo magnetico costante B {\ displaystyle B}, ma riduce la frequenza del campo di accelerazione in modo da mantenere le particelle al passo mentre si muovono a spirale verso lesterno, adattandosi alla loro frequenza di risonanza del ciclotrone dipendente dalla massa. Questo approccio soffre di fascio medio basso intensità dovuta al raggruppamento, e ancora dalla necessità di un enorme magnete di ampio raggio e campo costante sullorbita più grande richiesta dallalta energia.
Il secondo approccio al problema dellaccelerazione delle particelle relativistiche è lisocrono ciclotrone In una tale struttura, la frequenza del campo di accelerazione (e la frequenza di risonanza del ciclotrone) è mantenuta costante per tutte le energie modellando i poli del magnete in modo da aumentare il campo magnetico con il raggio. Pertanto, tutte le particelle vengono accelerate in intervalli di tempo isocroni. Le particelle di energia più elevata percorrono una distanza inferiore in ciascuna orbita di quanto farebbero in un ciclotrone classico, rimanendo così in fase con il campo di accelerazione. Il vantaggio del ciclotrone isocrono è che può fornire fasci continui di intensità media più elevata, il che è utile per alcune applicazioni. I principali svantaggi sono le dimensioni e il costo del grande magnete necessario e la difficoltà nel raggiungere gli elevati valori di campo magnetico richiesti sul bordo esterno della struttura.
I sincrociclotroni non sono stati costruiti da quando il ciclotrone isocrono era sviluppato.
SynchrotronsEdit
Foto aerea del Tevatron al Fermilab, che assomiglia a una figura otto. Lacceleratore principale è lanello sopra; quello sotto (circa la metà del diametro, nonostante le apparenze) è per laccelerazione preliminare, il raffreddamento del fascio e laccumulo, ecc.
Per raggiungere energie ancora più elevate, con massa relativistica che si avvicina o superando la massa a riposo delle particelle (per protoni, miliardi di elettronvolt o GeV), è necessario utilizzare un sincrotrone. Questo è un acceleratore in cui le particelle vengono accelerate in un anello di raggio costante. Un vantaggio immediato rispetto ai ciclotroni è che il campo magnetico deve essere presente solo sulla regione effettiva delle orbite delle particelle, che è molto più stretta di quella dellanello. (Il più grande ciclotrone costruito negli Stati Uniti aveva un polo magnetico di 4,7 m di diametro, mentre il diametro dei sincrotroni come LEP e LHC è di circa 10 km. Lapertura dei due fasci dellLHC è del ordine di un centimetro.) LLHC contiene 16 cavità RF, 1232 dipoli magnetici superconduttori per la direzione del fascio e 24 quadrupoli per la focalizzazione del fascio. Anche a queste dimensioni, lLHC è limitato dalla sua capacità di guidare le particelle senza che vadano alla deriva. Si teorizza che questo limite si verifichi a 14TeV.
Tuttavia, poiché la quantità di moto delle particelle aumenta durante laccelerazione, è necessario aumentare il campo magnetico B in proporzione per mantenere la curvatura costante dellorbita. Di conseguenza, i sincrotroni non possono accelerare le particelle in modo continuo, come possono fare i ciclotroni, ma devono operare ciclicamente, fornendo particelle in grappoli, che vengono consegnate a un bersaglio oa un raggio esterno in “fuoriuscite” di raggio tipicamente ogni pochi secondi.
Poiché i sincrotroni ad alta energia svolgono la maggior parte del loro lavoro su particelle che viaggiano già quasi alla velocità della luce c, il tempo per completare unorbita dellanello è quasi costante, così come la frequenza dei risonatori a cavità RF utilizzati per guidare laccelerazione .
Nei moderni sincrotroni, lapertura del fascio è piccola e il campo magnetico non copre lintera area dellorbita delle particelle come fa per un ciclotrone, quindi è possibile separare diverse funzioni necessarie. Invece di un enorme magnete, uno ha una linea di centinaia di magneti pieganti, che racchiudono (o racchiusi da) tubi di collegamento del vuoto. Il design dei sincrotroni è stato rivoluzionato allinizio degli anni 50 con la scoperta del concetto di forte focalizzazione. La focalizzazione del fascio è gestita indipendentemente da magneti quadrupolari specializzati, mentre laccelerazione stessa è realizzata in sezioni RF separate, piuttosto simili a brevi acceleratori lineari. Inoltre, non è necessario che le macchine cicliche siano circolari, ma piuttosto il tubo del raggio può avere sezioni diritte tra i magneti dove i raggi possono scontrarsi, essere raffreddati, ecc. Questo si è sviluppato in un intero soggetto separato, chiamato “fisica del raggio” o “raggio ottiche “.
I sincrotroni moderni più complessi come il Tevatron, LEP e LHC possono trasportare i mazzi di particelle in anelli di immagazzinamento di magneti con un campo magnetico costante, dove possono continuare a orbitare per lunghi periodi per la sperimentazione o unulteriore accelerazione.Le macchine a più alta energia come il Tevatron e lLHC sono in realtà complessi acceleratori, con una cascata di elementi specializzati in serie, inclusi acceleratori lineari per la creazione iniziale del fascio, uno o più sincrotroni a bassa energia per raggiungere lenergia intermedia, anelli di accumulo dove i raggi possono essere accumulato o “raffreddato” (riducendo lapertura del magnete richiesta e consentendo una messa a fuoco più stretta; vedere raffreddamento del raggio) e un ultimo grande anello per laccelerazione e la sperimentazione finali.
Segmento di un elettrone sincrotrone a DESY
Sincrotroni elettroniciModifica
Gli acceleratori di elettroni circolari caddero un po in disgrazia per la fisica delle particelle nel periodo in cui fu costruito lacceleratore lineare di particelle di SLAC, perché le loro perdite di sincrotrone erano considerate economicamente proibitive e perché la loro intensità del fascio era inferiore a quella delle macchine lineari non pulsate . Il Corno ell Electron Synchrotron, costruito a basso costo alla fine degli anni 70, è stato il primo di una serie di acceleratori di elettroni circolari ad alta energia costruiti per la fisica delle particelle fondamentali, lultimo è LEP, costruito al CERN, che è stato utilizzato dal 1989 al 2000.
Un gran numero di sincrotroni elettronici è stato costruito negli ultimi due decenni, come parte di sorgenti di luce di sincrotrone che emettono luce ultravioletta e raggi X; vedi sotto.
Anelli di immagazzinamentoModifica
Per alcune applicazioni, è utile immagazzinare fasci di particelle ad alta energia per qualche tempo (con moderna tecnologia ad alto vuoto, fino a molte ore) senza ulteriori accelerazioni. Ciò è particolarmente vero per gli acceleratori di raggi in collisione, in cui due raggi che si muovono in direzioni opposte vengono fatti scontrare tra loro, con un grande guadagno in energia di collisione effettiva. Poiché si verificano relativamente poche collisioni ad ogni passaggio attraverso il punto di intersezione dei due fasci, è consuetudine prima accelerare i fasci allenergia desiderata e poi immagazzinarli negli anelli di accumulo, che sono essenzialmente anelli di sincrotrone di magneti, senza RF significativa potenza per laccelerazione.
Sorgenti di radiazione di sincrotrone Modifica
Alcuni acceleratori circolari sono stati costruiti per generare deliberatamente radiazioni (chiamate luce di sincrotrone) come Raggi X chiamati anche radiazione di sincrotrone, ad esempio Diamond Light Source che è stata costruita presso il Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra o Advanced Photon Source presso Argonne National Laboratory in Illinois, USA. I raggi X ad alta energia sono utili per la spettroscopia a raggi X di proteine o per la struttura fine di assorbimento dei raggi X (XAFS), ad esempio.
La radiazione di sincrotrone è emessa in modo più potente dalle particelle più leggere, quindi questi acceleratori lo sono invariabilmente acceleratori di elettroni. La radiazione di sincrotrone consente una migliore imaging come ricercato e sviluppato presso SPEAR di SLAC.
Acceleratori a gradiente alternato a campo fissoModifica
Acceleratori a gradiente alternato a campo fisso (FFA) s, in cui un campo magnetico che è fisso nel tempo, ma con una variazione radiale per ottenere una forte focalizzazione, consente di accelerare il raggio con un alto tasso di ripetizione ma in un diffusione radiale rispetto al caso del ciclotrone. Gli FFA isocroni, come i ciclotroni isocroni, raggiungono un funzionamento continuo del raggio, ma senza la necessità di un enorme magnete di flessione del dipolo che copre lintero raggio delle orbite. Alcuni nuovi sviluppi negli FFA sono coperti.
HistoryEdit
Il primo ciclotrone di Ernest Lawrence aveva un diametro di appena 4 pollici (100 mm). Più tardi, nel 1939, costruì una macchina con una faccia polare di 60 pollici di diametro, e ne progettò una con un diametro di 184 pollici nel 1942, che fu, tuttavia, rilevata per i lavori relativi alla seconda guerra mondiale legati alla separazione degli isotopi di uranio; dopo la guerra continuò in servizio per la ricerca e la medicina per molti anni.
Il primo grande sincrotrone protonico fu il Cosmotron al Brookhaven National Laboratory, che accelerò i protoni a circa 3 GeV (1953-1968). Il Bevatron di Berkeley, completato nel 1954, è stato specificamente progettato per accelerare i protoni a unenergia sufficiente per creare antiprotoni e verificare la simmetria particella-antiparticella della natura, allora solo teorizzata. LAlternating Gradient Synchrotron (AGS) a Brookhaven (1960–) è stato il primo grande sincrotrone con magneti a gradiente alternato e “forte focalizzazione”, che hanno ridotto notevolmente lapertura richiesta del raggio e, di conseguenza, le dimensioni e il costo dei magneti di piegatura. Il Proton Synchrotron, costruito al CERN (1959–), è stato il primo grande acceleratore di particelle europeo e generalmente simile allAGS.
Lacceleratore lineare Stanford, SLAC, divenne operativo nel 1966, accelerando gli elettroni a 30 GeV in una guida donda lunga 3 km, sepolta in un tunnel e alimentata da centinaia di grandi klystron. È ancora il più grande acceleratore lineare esistente ed è stato aggiornato con laggiunta di anelli di accumulo e un impianto di collisore elettrone-positrone. È anche una sorgente di fotoni di sincrotrone UV e di raggi X.
Il Fermilab Tevatron ha un anello con un percorso del raggio di 6,4 km. Ha ricevuto diversi aggiornamenti e ha funzionato come un collisore protone-antiprotone fino a quando non è stato spento a causa di tagli al budget il 30 settembre 2011. Il più grande acceleratore circolare mai costruito è stato il sincrotrone LEP al CERN con una circonferenza di 26,6 chilometri, che era un collisore di elettroni / positroni. Ha raggiunto unenergia di 209 GeV prima di essere smantellato nel 2000 in modo che il tunnel potesse essere utilizzato per il Large Hadron Collider (LHC). LLHC è un collisore di protoni e attualmente lacceleratore più grande e con la massima energia del mondo, che raggiunge unenergia di 6,5 TeV per raggio (13 TeV in totale).
Il super collisore superconduttore (SSC) abortito in Texas avrebbe avuto una circonferenza di 87 km. La costruzione fu iniziata nel 1991, ma abbandonata nel 1993. Acceleratori circolari molto grandi sono invariabilmente costruiti in gallerie larghe pochi metri per ridurre al minimo il disagio e il costo della costruzione di una tale struttura in superficie, e per fornire schermatura contro le intense radiazioni secondarie che si verificano, che sono estremamente penetranti ad alte energie.