Come funziona un sincrotrone?
Un sincrotrone è un acceleratore di particelle per le più alte energie e quindi si trova principalmente nelle grandi strutture di ricerca. I campi elettrici accelerano le particelle, i campi magnetici le mantengono su un percorso ad anello. Ma come funziona in modo coordinato in modo così preciso?
Ecco come si costruisce un sincrotrone
- In linea di principio, un sincrotrone è un resp circolare. Acceleratore ad anello. Le particelle da accelerare (elettroni o protoni, per esempio) percorrono innumerevoli percorsi circolari predeterminati Maschio - in contrasto con un acceleratore lineare o un betatrone, in cui il percorso circolare cambia con l'aumentare dell'accelerazione ingrandito.
- Le particelle sono guidate su un percorso circolare fisso con l'ausilio di campi magnetici (parola chiave: forza di Lorentz; vedi sotto).
- Le particelle vengono accelerate da campi ad alta frequenza che si trovano a intervalli regolari nell'anello circolare. La frequenza di questi campi è - come suggerisce il nome "sincrotrone" - aumentata in modo sincrono con la circolazione delle particelle. In parole povere, le particelle ricevono una spinta precisa dal campo elettrico dell'alta frequenza.
- Il flusso di particelle viene pre-accelerato da un (piccolo) acceleratore lineare prima di essere immesso nell'anello di sincrotrone con l'aiuto di magneti di controllo. L'accelerazione di solito avviene nel cosiddetto. Pacchetti di particelle.
- Un sincrotrone può essere utilizzato per memorizzare e sperimentare con i pacchetti di particelle accelerate, ad esempio in punti precedentemente definiti nell'anello circolare.
La forza di Lorentz è una forza sui corpi carichi che volano attraverso un campo magnetico. …
Equilibri e condizioni di risonanza: ecco come funziona
Ma come funziona? In linea di principio, due condizioni al contorno si applicano all'accelerazione riuscita delle particelle in un sincrotrone:
- Per mantenere le particelle sulla traiettoria circolare di raggio R, la forza centripeta (chiamata forza centrifuga nel linguaggio colloquiale) deve essere nel campo magnetico in ogni momento della forza di Lorentz dirigente.
- Vale quanto segue: mv² / R = Q*v*B con m = massa delle particelle, v = velocità delle particelle, Q = carica delle particelle e B = densità di flusso magnetico.
- La corretta tempistica di accelerazione funziona, ovviamente, solo se la frequenza del campo elettrico è uguale alla frequenza orbitale del pacchetto di particelle.
- Durante il funzionamento, sia l'intensità del campo magnetico che la frequenza devono quindi aumentare nel corso dell'accelerazione. Questo processo può essere eseguito con sequenze preprogrammate oppure ottenere un'azione correttiva.
- Gli elettroni possono essere accelerati in tempi relativamente brevi quasi alla velocità della luce con un sincrotrone (notare l'aumento relativistico della massa). I protoni raggiungono energie molto più grandi dei GeV.
- Ci sono importanti sistemi di sincrotrone al DESY di Amburgo, al CERN di Ginevra e al BESSY di Berlino. E FAIR al Darmstadt GSI è il nuovo progetto futuro attualmente in costruzione.
A proposito: gli elettroni che vengono forzati su un anello circolare in questo modo ne emettono alcuni energia come cosiddetto Radiazione di sincrotrone, una radiazione di raggi X ad altissima energia in funzione dell'accelerazione, che è adatta a molti esami. Questo sottoprodotto che consuma energia è quindi molto desiderabile.
Quanto trovi utile questo articolo?
