Che cos'è un acceleratore lineare?
Un acceleratore lineare è un dispositivo che accelera la materia ad alta velocità spostandola lungo un percorso lineare con campi elettromagnetici. Il termine è più comunemente usato per indicare un acceleratore lineare di particelle, o linac, che accelera gli atomi o le particelle subatomiche. "Acceleratore lineare" può anche riferirsi a dispositivi che usano l'elettromagnetismo per spingere oggetti più grandi, come pistole a spirale e pistole ferroviarie. Gli acceleratori lineari di particelle sono comunemente usati in medicina, industria e esperimenti scientifici e gli acceleratori elettromagnetici per oggetti più grandi possono avere applicazioni future per scopi come i viaggi nello spazio e le armi.
Un acceleratore di particelle lineare spara particelle cariche magneticamente. Questi possono essere interi atomi carichi, chiamati ioni o particelle subatomiche come protoni ed elettroni. Innanzitutto, la particella da accelerare viene generata da un dispositivo elettromagnetico come un catodo o una sorgente di ioni e rilasciata in una camera a vuoto a forma di tubo rivestita di elettrodi. Gli elettrodi vengono quindi eccitati per creare campi magnetici oscillanti che impartiscono energia alla particella e la accelerano lungo il tubo verso il bersaglio del dispositivo. La disposizione precisa degli elettrodi all'interno del tubo, la potenza e la frequenza dell'energia inviata negli elettrodi e le dimensioni degli elettrodi variano a seconda delle particelle che vengono accelerate e dello scopo del dispositivo.
Un esempio semplice e molto comune è il tubo a raggi catodici, comunemente usato in televisori, monitor e altre tecnologie di visualizzazione. Il tubo a raggi catodici spinge gli elettroni lungo il tubo fino a quando non colpiscono un bersaglio solido all'estremità del tubo fatto di materiali luminescenti chiamati fosfori, che di solito sono composti di solfuri metallici. Questo fa sì che parte dell'energia degli elettroni venga rilasciata come emissione di energia elettromagnetica nelle lunghezze d'onda che l'occhio umano rileva come luce visibile. Le macchine a raggi X utilizzate in medicina e nella ricerca biologica seguono un principio simile, sparando flussi di elettroni in rame, molibdeno o tungsteno per produrre emissioni di raggi X che possono essere utilizzate per l'imaging o, con dispositivi più potenti, la radioterapia.
Gli acceleratori di particelle lineari sono anche usati nella ricerca scientifica. Piccoli dispositivi vengono spesso utilizzati per l'imaging nella ricerca biologica e archeologica. Gli acceleratori lineari utilizzati per la ricerca hanno dimensioni molto diverse e possono raggiungere dimensioni davvero colossali a causa dei livelli di energia estremamente elevati necessari per produrre alcuni dei fenomeni studiati nella fisica moderna. Il più grande acceleratore lineare di particelle sulla Terra, situato presso il National Accelerator Laboratory dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) a Menlo Park, California, è lungo due miglia.
Sono anche utilizzati in alcuni processi industriali. Alcuni chip di silicio utilizzati nell'elettronica moderna sono fabbricati in un processo che incorpora acceleratori che spingono interi atomi carichi anziché particelle subatomiche, consentendo il posizionamento molto preciso degli atomi durante la produzione. Gli acceleratori possono anche essere utilizzati per impiantare ioni sulla superficie di materiali come l'acciaio, alterando la struttura del materiale per renderlo più resistente alle crepe da corrosione chimica.
Il termine "acceleratore lineare" è talvolta usato anche per dispositivi che spingono oggetti più grandi in modo simile, usando l'elettromagnetismo per accelerare un proiettile lungo un percorso rettilineo. Funzionano facendo funzionare l'elettricità attraverso una bobina di metallo avvolta attorno alla canna del dispositivo, un design chiamato un fucile a spirale, un driver di massa o una pistola Gauss, o attraverso una coppia di binari metallici posizionati parallelamente tra loro, chiamati un railgun. Un oggetto in materiale ferromagnetico, come il ferro, può essere accelerato lungo la canna del dispositivo con i campi magnetici prodotti da correnti elettriche opportunamente temporizzate. Le bobine sono state proposte come un possibile modo per lanciare carichi dalla superficie terrestre nello spazio esterno, e sia i fucili che i fucili ferroviari sono oggetto di ricerche come possibili armi.