Radiazione di sincrotrone
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La radiazione di sincrotrone o luce di sincrotrone è una radiazione elettromagnetica generata da elettroni e positroni ad alta energia che si muovono su traiettorie circolari, in un campo magnetico relativamente debole, a velocità prossime alla velocità della luce. Tanto più elevata è la velocità della particella, tanto minore è la lunghezza d'onda della radiazione emessa e generalmente il picco dell'emissione avviene alle lunghezze d'onda radio.
È così chiamata perché viene solitamente prodotta per mezzo di un sincrotrone, ma viene generata anche da oggetti o eventi astronomici.
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[modifica] Produzione
Quando una particella elettricamente carica è accelerata, sia linearmente su un percorso in linea retta che trasversalmente su una traiettoria curvilinea, emette radiazione elettromagnetica, in accordo con le leggi dell'elettromagnetismo.
Un sincrotrone può generare una ampia gamma di radiazioni dalle caratteristiche ben determinate. Solitamente l'emissione avviene nel campo dei raggi X.
La produzione e l'utilizzo della radiazione di sincrotrone avviene in un unico complesso, in cui un acceleratore di particelle, solitamente un sincrotrone, genera un fascio di particelle che viene fatto circolare in un anello di accumulo, nel quale avviene la generazione della luce di sincrotrone. La radiazione fuoriesce tangenzialmente rispetto all'anello e convogliata in apposite guide in forma di raggi. Queste linee possono iniziare in prossimità dei magneti di curvatura agli angoli oppure da appositi dispositivi di inserzione presenti nei tratti rettilinei del poligono che costituisce l'anello di accumulo. Lo spettro e l'energia dei raggi X ottenuta nei due modi sono differenti.
Le linee di trasporto dei raggi sono costituite da dispositivi ottici che controllano la banda passante, il flusso di fotoni, la sezione, la focalizzazione e la collimazione del fascio.
Possono essere presenti dispositivi quali fenditure, attenuatori, cristalli monocromatori e specchi. Gli specchi possono essere curvati o sagomati in forma toroidale per focalizzare il raggio. Spesso nelle applicazioni è infatti richiesto un flusso di fotoni molto concentrato in una piccola area. la configurazione della linea è comunque specifica per la destinazione d'uso.
Al termine della linea di conduzione è collocata la postazione sperimentale, dove per esempio i campioni da analizzare sono esposti al fascio e alcuni rivelatori misurano la diffrazione, lo scattering o l'emissione secondaria.
[modifica] Economia
La costruzione di ogni sincrotrone può costare da decine a centinaia di milioni di euro, a seconda della potenza, e le linee ottiche possono costare altri milioni di euro ciascuna, e ne sono installate venti o più per ogni impianto. Notevoli sono anche i costi di gestione.
Ne deriva che questi sistemi sono realizzati e mantenuti in genere dai governi delle nazioni più ricche, o da collaborazioni internazionali tra diversi stati (caso estremo è l'LHC del CERN) e sono a disposizione di università ed enti di ricerca.
Il prezioso tempo di utilizzo della macchina, in genere operativa 24 ore su 24, viene suddiviso in sessioni di lavoro tra i vari progetti di ricerca. Periodicamente l'impianto viene fermato per le sessioni di manutenzione periodica.
[modifica] Impieghi
La luce di sincrotrone ha le caratteristiche ideali per molti campi della ricerca e per diverse applicazioni industriali, in particolare:
- minima lunghezza d'onda e quindi buona penetrazione attraverso la materia.
- Alta concentrazione di energia, sintonizzabile e polarizzabile, ideale per essere focalizzata su piccole aree.
Alcuni campi di utilizzo sono:
- Litografia per la produzione di chip per computer
- Studi di assorbimento e scattering
- Cristallografia di proteine e molecole complesse
- Spettroscopia per l'analisi dei materiali
- In medicina per la diagnosi per immagini e la terapia tumorale.
[modifica] Astronomia
L'emissione di radiazioni da parte di alcuni corpi celesti (radiosorgenti) ha un livello energetico tale da richiedere, secondo le leggi di emissione di corpo nero, una temperatura inverosimile di miliardi di gradi kelvin. Negli anni '50 fu proposta l'ipotesi dell'emissione di radiazione di sincrotrone, secondo cui degli elettroni viaggerebbero a velocità relativistiche all'interno di un intensissimo campo magnetico generato dal corpo celeste. L'elettrone in questo campo percorre un'orbita elicoidale, ed essendo soggetta ad accelerazione centripeta, emette radiazione, la cui lunghezza d'onda dipende dall'intensità del campo magnetico, dalla massa e dal vettore velocità della particella. Lo spettro di emissione può spaziare dalle onde radio fino ai raggi gamma, in funzione dell'intensità del campo magnetico in cui avviene il fenomeno.
