Cos'è ciclotrone?

Ciclotrone

Il ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle ciclico inventato da Ernest Lawrence nel 1929-1930 all'Università della California, Berkeley, e brevettato nel 1934. Un ciclotrone accelera particelle cariche da una sorgente centrale a spirale verso l'esterno lungo un percorso a spirale. Le particelle sono tenute su una traiettoria a spirale da un campo magnetico statico e accelerate da un campo elettrico alternato applicato tra due elettrodi a forma di "D" cavi, chiamati "dees".

Principio di Funzionamento:

• Campo Magnetico: Un forte campo magnetico uniforme, applicato perpendicolarmente al piano dei dees, costringe le particelle cariche a muoversi in un percorso circolare. La forza di Lorentz agisce come forza centripeta.
• Dees: Due elettrodi a forma di "D" cavi sono separati da una stretta fessura. Un campo elettrico alternato (oscillante) viene applicato tra i dees.
• Accelerazione: Quando una particella carica attraversa la fessura tra i dees, il campo elettrico la accelera. Una volta all'interno di un dee, la particella è schermata dal campo elettrico e si muove con velocità costante in un percorso circolare sotto l'influenza del campo magnetico.
• Percorso a Spirale: Ad ogni passaggio attraverso la fessura, la velocità della particella aumenta e quindi il raggio del suo percorso circolare aumenta. Questo fa sì che la particella percorra un percorso a spirale verso l'esterno.
• Frequenza di Ciclotrone: La frequenza del campo elettrico alternato è regolata in modo che coincida con la frequenza di ciclotrone della particella. Questa condizione di risonanza assicura che la particella venga sempre accelerata ogni volta che attraversa la fessura. La frequenza è indipendente dalla velocità della particella, a condizione che la sua velocità sia molto inferiore alla velocità della luce (approssimazione non relativistica).
• Estrazione: Una volta che le particelle raggiungono il bordo del ciclotrone, un deflettore elettrostatico le devia dal loro percorso a spirale ed esternamente per essere utilizzate per esperimenti.

Componenti Principali:

• Magnete: Fornisce il campo magnetico uniforme.
• Dees: Elettrodi a forma di "D" che creano la fessura per l'accelerazione.
• Oscillatore RF: Genera il campo elettrico alternato applicato tra i dees.
• Sorgente di Ioni: Fornisce le particelle cariche da accelerare.
• Sistema di Vuoto: Mantiene un alto vuoto all'interno del ciclotrone per minimizzare le collisioni delle particelle con le molecole di gas.
• Sistema di Estrazione: Estrae le particelle accelerate dal ciclotrone.

Applicazioni:

I ciclotroni hanno una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

• Ricerca Nucleare: Utilizzati per studiare la struttura del nucleo atomico e le reazioni nucleari.
• Produzione di Radioisotopi: Utilizzati per produrre radioisotopi per applicazioni mediche, industriali e di ricerca. Questi radioisotopi vengono utilizzati per la diagnostica (ad esempio, tomografia ad emissione di positroni - PET) e la terapia (ad esempio, la radioterapia).
• Radioterapia: Alcuni ciclotroni sono utilizzati direttamente per la radioterapia, in particolare la terapia con protoni per il trattamento del cancro.
• Impianto di Ioni: Utilizzati per impiantare ioni in materiali semiconduttori per modificare le loro proprietà.

Limitazioni:

• Limite Relativistico: La massa delle particelle aumenta all'aumentare della loro velocità. La frequenza di ciclotrone dipende dalla massa. Pertanto, un ciclotrone convenzionale non può accelerare particelle fino a velocità relativistiche (prossime alla velocità della luce). Questo limite è superato nei ciclotroni sincrociclotroni e isocroni.
• Dimensione e Costo: I ciclotroni possono essere grandi e costosi da costruire e mantenere.