Che cos'è un ciclotrone?
Un ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle che utilizza un campo magnetico costante e campi elettrici alternati per accelerare una particella in un movimento a spirale. Questi tipi di acceleratori di particelle sono stati tra i primi concepiti e presentano numerosi vantaggi rispetto ai primi acceleratori lineari, come requisiti di dimensioni inferiori. Mentre i progressi della tecnologia hanno reso possibili tipi più complessi di acceleratori di particelle, ci sono ancora alcuni usi per i ciclotroni in un numero di campi diversi. Un ciclotrone può ancora essere utilizzato nella sperimentazione fisica, specialmente come parte iniziale di un acceleratore a più stadi.
Sviluppato nel 1932, un ciclotrone è un acceleratore di particelle che utilizza un movimento circolare, tipicamente in una spirale in crescita verso l'esterno, per accelerare le particelle per un numero di usi diversi. L'accelerazione delle particelle richiede in genere una distanza abbastanza grande per consentire alle particelle di raggiungere una velocità sufficiente per l'uso negli esperimenti. Il design di un ciclotrone, tuttavia, consente di utilizzare acceleratori più piccoli, poiché la particella si muove con un movimento circolare e percorre una grande distanza senza richiedere un lungo corridoio rettilineo per il passaggio.
Un ciclotrone funziona fondamentalmente utilizzando una coppia di elettrodi ad alta potenza, ciascuno a forma di "D" con i lati piatti uno verso l'altro, per creare una forma circolare completa. A partire dal centro del cerchio, una particella inizia ad allontanarsi dal centro, ma usando l'attrazione e la repulsione, viene invece trascinata in un movimento circolare. I diodi si alternano tra loro in modo che la particella venga accelerata verso l'una, quindi si curva attorno mentre viene allontanata da quella e attratta verso l'altra, quindi continua lo schema tra i due elettrodi. Ciò creerebbe un movimento circolare perfetto se lasciato da solo, ma tra i due diodi viene creato un campo magnetico, che è perpendicolare al movimento circolare della particella.
Questo campo magnetico sposta leggermente il movimento della particella, quindi ogni volta che passa tra i due elettrodi viene spostato un po 'lontano dal centro del cerchio. Spostando la particella leggermente verso l'esterno, il percorso che prende durante l'accelerazione diventa una spirale crescente verso l'esterno piuttosto che un cerchio. Ciò consente alla particella di colpire alla fine un'area bersaglio all'interno dell'unità di contenimento, dove può quindi essere reindirizzata per ulteriori studi o usi.
Uno dei principali svantaggi di un ciclotrone è che l'area target può essere utilizzata solo per una particella che viaggia a velocità che possono essere correttamente calcolate usando la fisica newtoniana. Velocità più elevate provocherebbero effetti relativistici e il bersaglio non verrebbe colpito correttamente, il che significa che un ciclotrone in genere non può produrre i livelli di accelerazione che possono avere nuovi acceleratori lineari. Sono stati sviluppati ciclotroni isocroni, tuttavia, che possono compensare i cambiamenti relativistici della particella e possono essere abbastanza efficaci.