Acceleratore
Acceleratore
(App. II, i, p. 4; III, i, p. 4; IV, i, p. 12; V, i, p. 9)
Fisica
Gli a. di particelle, cioè i dispositivi o impianti per conferire a fasci di particelle elettricamente cariche energie di valore elevato, per gli scopi più vari, che spaziano anche nel campo medico e in varie discipline tecniche, costituiscono la materia di vari articoli a essi dedicati nelle Appendici precedenti: nello scorrere questi articoli si rende ben manifesta la notevole evoluzione che gli a. hanno avuto negli ultimi sessant'anni, sia nei principi di funzionamento, sia negli impieghi. Nell'App. II vengono presentati i primi a. di ioni a cavità risonanti il cui prototipo risale ancora agli anni Quaranta. In App. III l'evoluzione degli a. rende necessaria una prima suddivisione nelle categorie degli a. lineari, dei betatroni, dei ciclotroni e dei sincrotroni. L'App. IV dedica ampio spazio ai protosincrotroni nella loro corsa verso le alte energie, rappresentati in particolare dal protosincrotrone del laboratorio FNL di Chicago e da quello del CERN di Ginevra (allora non ancora in funzione). Vengono inoltre trattati gli anelli di accumulazione, nati negli anni Sessanta e destinati a subire un progresso sensibile nel decennio successivo, puntualmente registrato nell'App.V. Ormai denominati anelli di collisione (AC), contribuiranno alla scoperta di nuove particelle elementari e alla verifica della teoria dell'unificazione delle forze forti e deboli. Nell'App. V si affronta inoltre l'impiego degli a. nella ricerca sia applicata sia fondamentale, in materia condensata, con gli a. per la produzione di radiazione di sincrotrone (RS), degli a. di ioni nella fusione inerziale e infine nel settore in grande espansione degli a. in campo medico. *
L'evoluzione della tipologia e degli impieghi è evidente passando, in ordine di tempo, dall'uno all'altro degli articoli sopra citati.
Gli a. di particelle in funzione e in progetto nel mondo sono ormai in numero tale e di tale varietà per tipo e per utilizzazione che è difficile darne un quadro completo. Nel campo degli anelli di collisione (AC) o a fasci incrociati per la fisica subnucleare e nucleare, sono entrate in funzione o in fase di costruzione una serie di macchine di altissima energia per elettroni, per protoni e per ioni pesanti. Sono inoltre funzionanti o in fase di avanzata costruzione una serie di AC, detti fabbriche di mesoni (ingl. meson factories), che privilegiano, per lo studio dettagliato di particolari processi elementari rari, l'alta intensità piuttosto che l'alta energia. Va osservato che gli AC per elettroni, ai quali la perdita di energia per emissione di radiazione elettromagnetica (radiazione di sincrotrone, RS) negli elementi curvanti rapidamente crescente con l'energia massima dell'a., pone limiti non aggirabili, hanno toccato con il LEP dei laboratori del CERN la soglia oltre la quale la loro convenienza tecnico-economica viene meno; per energie elettroniche più alte vengono perciò oggi progettati collisori costituiti da a. lineari (linac) affacciati, per i quali la radiazione di sincrotrone non costituisce un problema.
L'irraggiamento è invece la ragion d'essere degli a. per ricerca, sia fondamentale che applicata, nel campo della struttura della materia e interessa un gran numero di discipline diverse (fisica, chimica, biologia, biochimica, farmacologia ecc.); accanto alle decine di a. di seconda e terza generazione dal punto di vista delle tecniche progettuali, sono allo studio a. e tecniche di 'quarta generazione' per ottenere fasci di radiazione con delle caratteristiche ancora più spinte. Si è anche consolidata la tendenza a sviluppare a. per applicazioni in campi diversi da quelli tradizionali. È sufficiente ricordare, a titolo di esempio, le applicazioni mediche, in particolare l'uso di particelle pesanti per la cura di tumori, e quelle di grandissimo interesse potenziale per la produzione di energia e per il trattamento di scorie radioattive (v. oltre).
Sul fronte delle tecnologie è diffuso l'utilizzo su larga scala della superconduttività (SC), soprattutto per ottenere elevati campi magnetici di guida ed elevati campi elettrici acceleranti. Magneti SC alla temperatura dell'elio liquido (4,2 K) con campi di induzione magnetica fino a 6 T sono in funzione su macchine europee (HERA), statunitensi (Tevatron, RHIC) e russe; per il progetto LHC del CERN sono in costruzione magneti alla temperatura dell'elio superfluido (1,8 K) con campi di lavoro fino a 9 T. Sono largamente collaudati sistemi di cavità acceleranti SC con fattori di merito dell'ordine di 10⁹÷10¹¹ che a 4,2 K raggiungono in funzionamento continuo campi elettrici dell'ordine di 5÷15 MV/m (LEP, CEBAF, HERA, CESR ecc.); per i nuovi collisori lineari si stanno sviluppando cavità SC a 1,8 K con campi elettrici acceleranti di 25÷40 MV/m. Tecniche superconduttive sono applicate anche a macchine di minore energia come ciclotroni con elettromagneti SC, linac SC per particelle pesanti e piccoli anelli SC a elettroni ad altissima risoluzione. Per ciò che riguarda il futuro più lontano, sono oggetto di intenso studio nuove tecniche di accelerazione volte a raggiungere, nella maniera più efficace ed economica, da un lato elevatissimi campi elettrici e dall'altro fasci accelerati di grande qualità (alta intensità, alta brillanza, brevissima durata ecc.).
Nel seguito, si descrivono brevemente gli a. più rappresentativi dei progressi fatti, raggruppandoli a seconda della loro principale utilizzazione - la ricerca in fisica nucleare e subnucleare, in fisica atomica e in struttura della materia e le applicazioni mediche, industriali e tecnologiche - anche se sempre più frequentemente uno stesso a. viene utilizzato per più di una disciplina e di un'applicazione. Seguono infine alcune considerazioni sullo stato delle ricerche nel campo delle future tecniche di accelerazione.
Acceleratori per la ricerca in fisica delle particelle elementari
Sincrotroni e acceleratori lineari
I sincrotroni per protoni o protosincrotroni (PS), sempre più spesso modificati per accelerare anche ioni pesanti, sono ancora utilizzati, oltre che come iniettori, per esperimenti su bersaglio fisso e cioè per produrre fasci primari (di protoni, di ioni pesanti) o secondari (di mesoni, di neutrini ecc.) intensi che vengono fatti interagire con bersagli esterni fissi. Lo sviluppo di nuove tecnologie, come l'iniezione di ioni H⁻ che vengono convertiti in protoni all'interno dell'a., ha consentito un generale aumento delle intensità di fascio. Sul versante delle fabbriche di mesoni, che utilizzano fasci primari di protoni per produrre fasci secondari intensi di mesoni per interazione dei protoni con bersagli fissi, è entrata in funzione in Russia, presso i laboratori di Mosca dell'Accademia delle Scienze, una fabbrica di mesoni π, costituita da un a. lineare per protoni da 600 MeV con potenza media di fascio fino a 1 MW. Va infine segnalato, in negativo, che il progetto canadese 'Kaon Factory' del laboratorio TRIUMF (Vancouver) per una fabbrica di mesoni K è stato cancellato. I sincrotroni per elettroni, o elettrosincrotroni (ES), soppiantati da a. lineari e anelli di collisione, sopravvivono invece quasi soltanto come iniettori.
Anelli di collisione (AC)
Il più grande degli AC per elettroni (e⁺e⁻) è il già ricordato LEP (Large Electron Positron Collider) del CERN di Ginevra che raggiunge un'energia di circa 100 GeV per fascio.
Il suo iniziale sistema di accelerazione a struttura convenzionale in rame, che gli consentiva un'energia massima di poco superiore a 50 GeV, è stato sostituito da un sistema superconduttivo che, rendendo trascurabile la potenza dissipata nella struttura stessa, permette di ottenere, a parità di ingombro e di consumo globale di energia elettrica, campi elettrici più intensi e quindi energie più alte. Il sistema è costituito da 68 moduli, ciascuno contenente quattro cavità risonanti alla frequenza di 350 MHz, con fattori di merito superiori a 10⁹, che forniscono ciascuna un'energia fino a 10 MeV, per un totale di oltre 2,7 GeV/giro. L'originale tecnica costruttiva consiste nel depositare sulle pareti interne di una cavità risonante di rame un film sottile di Nb che diviene superconduttivo alla temperatura di lavoro di 4 K. Il programma sperimentale di LEP sarà concluso, secondo le previsioni, nell'anno 2000, quando inizierà il montaggio, nel tunnel lungo più di 27 km che lo ospita, del nuovo AC per protoni LHC (v. oltre).
Negli Stati Uniti d'America l'AC da 6 GeV CESR dell'università di Cornell (N.Y.), costantemente migliorato negli anni, detiene il record mondiale di luminosità per questo tipo di macchine, con 5∙10³² cm⁻² s⁻¹; sulla luminosità si tende all'obiettivo di guadagnare ancora da uno a due ordini di grandezza. In Russia, l'Istituto Budker per la fisica nucleare di Novosibirsk in Siberia gestisce un complesso di AC per elettroni di varie energie ed è uno dei maggiori centri di sviluppo di nuove idee nel campo.
Una nuova classe di AC per elettroni, cui si è accennato all'inizio, è quella delle fabbriche di mesoni. Si tratta di anelli di energia opportunamente scelta per la produzione, in purezza e con altissima luminosità (cioè particelle incidenti sul bersaglio a unità di area e di tempo: cm⁻² s⁻¹), di particolari coppie mesone-antimesone. Vengono chiamati 'fabbriche' per indicare che devono avere un tasso di produzione altissimo e la massima affidabilità. In Italia, la fabbrica di mesoni φ DAΦNE dei laboratori di Frascati dell'INFN, ha sostituito l'AC ADONE; consiste di due distinti anelli da 0,5 GeV ciascuno, uno per e⁺ e uno per e⁻, che si intersecano in due punti nei quali avvengono le collisioni. La sua energia è dettata dall'esigenza di produrre principalmente mesoni φ che, per decadimento, producono mesoni K. Il suo principale, ma non unico, obiettivo è lo studio della possibile violazione del principio di conservazione del prodotto carica-parità nelle interazioni forti e cioè, in definitiva, delle ragioni per le quali il nostro Universo è costituito di sola materia e non contiene che minime quantità di antimateria. La sua luminosità di progetto, di 10³²÷10³³ cm⁻² s⁻¹, è di uno o due ordini di grandezza maggiore di quella di AC della stessa energia. A più alta energia, fabbriche di coppie di mesoni B e anti-B sono in fase di completamento nei laboratori SLAC di Stanford (USA) e nel laboratorio KEK di Tsukuba in Giappone. Entrambe le installazioni sono 'asimmetriche' in quanto consistono di due distinti anelli che, per motivi legati alle esigenze della sperimentazione, hanno energia diversa.
Venendo agli AC per protoni, è in costruzione al CERN di Ginevra l'AC LHC (Large Hadron Collider), nell'ambito di una collaborazione mondiale comprendente oltre ai paesi europei membri anche gli USA, il Giappone, la Russia e altri paesi dell'Europa dell'Est e dell'Asia. È il più grande collisore protone-protone mai realizzato e raggiungerà un'energia massima di 7 TeV per fascio, con una luminosità di ben 10³⁴ cm⁻² s⁻¹; sarà anche in grado di accelerare e far collidere ioni Pb realizzando un'energia disponibile nel sistema del baricentro di 1150 TeV. Il suo sistema di iniezione coinvolgerà tutti gli altri a. del CERN, incluso il PS da 500 GeV SPS. Il completamento di LHC è previsto per l'anno 2005. Due grandi esperimenti, ATLAS e CMS, montati in due delle sezioni diritte di LHC hanno come scopo principale lo studio del nuovo campo previsto dal modello standard delle interazioni fondamentali, il campo di Higgs, che sarebbe responsabile, tra l'altro, dell'origine delle masse delle particelle elementari e il cui quanto è detto mesone di Higgs. Due esperimenti di minori dimensioni occuperanno altre due sezioni diritte libere. Dal punto di vista tecnico una delle sfide principali è costituita dal sistema magnetico di guida interamente superconduttivo, costituito da oltre 1500 magneti fra curvanti e focheggianti che operano alla temperatura dell'elio superfluido (1,8 K); gli oltre 1200 elementi curvanti, lunghi ciascuno 14 m, costruiti industrialmente, devono assicurare un campo magnetico di lavoro di 8,4 T, valore mai raggiunto prima in una produzione di serie di magneti di tali dimensioni. Altri elementi tecnicamente notevoli sono la camera da vuoto, lunga 27 km, che si trova anch'essa alla temperatura di 1,8 K e deve quindi essere protetta dalla pur debole radiazione di sincrotrone emessa dal fascio di protoni nei magneti curvanti, e l'impianto di refrigerazione, di complessità e dimensioni inusuali, che deve smaltire una potenza di oltre 20 kW alla temperatura dell'elio superfluido.
Un altro a. che utilizza magneti SC è il collisore HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) dei laboratori DESY di Amburgo, unico AC per protoni (800 GeV) contro elettroni (35 GeV). Realizzato con il contributo di vari paesi europei (tra cui determinante quello dell'Italia che ha fornito la metà circa dei 500 magneti dipolari SC da 6 T che sono i componenti principali dell'anello per protoni), ha raggiunto tutti gli obiettivi di progetto, incluso quello della polarizzazione del fascio di elettroni. La sua luminosità di 1,5∙10³¹ ha permesso di conseguire importanti risultati nello studio dei quark, i componenti fondamentali del protone, ed è stato anche uno dei primi a. a utilizzare cavità acceleranti SC. È in atto un programma di ammodernamento con l'obiettivo di aumentarne la luminosità massima di un fattore 5.
Negli USA, abbandonato per motivi di costo il progetto SSC, continua a operare nel laboratorio FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory) presso Chicago l'AC protone-antiprotone Tevatron che, con i suoi magneti superconduttivi alla temperatura dell'elio liquido (4,2 K), raggiunge 900 GeV (circa 1 TeV, da cui il nome) per fascio, ha una luminosità di oltre 10³² cm⁻² s⁻¹ ed è in grado di accelerare anche ioni di massa non troppo elevata. È stato il primo grande a. a usare magneti SC e ha svolto perciò un ruolo fondamentale nello sviluppo delle tecniche connesse. Il suo sistema di iniezione di protoni e di antiprotoni è stato via via ammodernato potenziando gli a. che lo costituiscono; un nuovo PS iniettore ad alta intensità, completato nel 1998, permette luminosità massime di ancora un ordine di grandezza più alte. Alla sperimentazione con il Tevatron, cui partecipano anche fisici italiani, si devono risultati scientifici di grande rilevanza tra i quali la scoperta del quark top.
Ricordiamo infine, in Russia, il progetto UNK in corso nei laboratori dell'IHEP (Institute for High Energy Physics) di Protvino. Prevede, nella prima fase in corso, la costruzione di un PS da 600 GeV, detto UNK-600, iniettato dall'attuale PS da 70 GeV e alloggiato in un tunnel di 21 km già esistente. In una seconda fase, in progetto, verrebbe realizzato nello stesso tunnel un AC per protoni a magneti caldi con energia massima di 3 TeV, iniettato da UNK-600.
I parametri aggiornati dei principali AC in costruzione o in attività sono riportati nella tab. 1.
Collisori lineari (CL)
Per accelerare elettroni a energie di un ordine di grandezza maggiore dei circa 100 GeV per fascio di LEP, i collisori circolari, limitati dall'irraggiamento, non costituiscono più una soluzione tecnica accettabile e devono venir sostituiti da collisori che utilizzano a. lineari (CL), per i quali ultimi - almeno sino a energie di molti ordini di grandezza più alte - il fenomeno dell'irraggiamento è trascurabile. Per particelle con massa uguale o maggiore di quella del protone le energie alle quali il fenomeno dell'irraggiamento diviene importante ai fini della scelta fra circolare e lineare sono invece comunque di molti ordini di grandezza più alte di quelle attuali e l'alternativa non è quindi di interesse. Poiché dunque per verificare alcuni aspetti fondamentali della teoria delle interazioni fondamentali, e in particolare l'esistenza del meccanismo di Higgs cui si è accennato sopra, e per integrare le informazioni che in questo campo si ottengono dagli AC per protoni, si richiedono AC per e⁺e⁻ con somma delle energie dei due fasci da 500 GeV a 2000 GeV e altissima luminosità (dell'ordine di 10³⁴ cm⁻² s⁻¹), è giocoforza rivolgersi a macchine del tipo CL. Queste peraltro, per raggiungere tali energie e intensità, richiedono un salto di qualità nel livello delle tecnologie da impiegare.
Il primo prototipo di CL detto SLC (SLAC Linear Collider), realizzato utilizzando un solo linac e due archi magnetici, ne ha dimostrato la fattibilità tecnica raggiungendo un'energia di 40 GeV per fascio. È in funzione dal 1988 e ha svolto un ruolo di importanza fondamentale per la comprensione dei principali problemi presentati dal nuovo schema e quindi per la progettazione di macchine più grandi. I suoi principali parametri e i valori di luminosità ottenuti sono riportati nella tab. 2: da notare che può accelerare fasci polarizzati.
Per la realizzazione di un CL di energia molto maggiore, dell'ordine del TeV, e altissima luminosità, naturale complemento di LHC dal punto di vista della fisica, è stato intrapreso a livello mondiale un vasto e coordinato programma di ricerca e sviluppo, articolato su diversi progetti tra i quali ci si propone di arrivare a selezionare il migliore, da costruire possibilmente nell'ambito di una collaborazione mondiale. Ciascuno dei progetti sperimenta le proprie principali soluzioni tecniche su una propria installazione pilota di energia e dimensioni ridotte (test facility), per giungere a dimostrarne l'effettiva realizzabilità anche in termini di costo.
Le linee progettuali sono sostanzialmente due: l'utilizzo di strutture acceleranti superconduttive della lunghezza di qualche decina di chilometri, con campi acceleranti fra 25 e 40 MV/m, nettamente superiori a quelli oggi ottenibili in strutture fredde, o invece l'utilizzo di strutture calde ma operanti a frequenze molto elevate e quindi con dimensioni molto ridotte, così da consentire di raggiungere campi acceleranti ancor più elevati ( 100 MV/m) con un dispendio di energia tollerabile. Alla prima linea (che ha tra i principali vantaggi, oltre a quello dell'alta efficienza nel trasferimento dell'energia dalla rete alle particelle, anche quello di permettere di lavorare a frequenze minori e quindi con tolleranze meno stringenti sulle dimensioni e sull'allineamento di fasci) appartiene soltanto il progetto TESLA, installato nei laboratori DESY di Amburgo, condotto nell'ambito di una vasta collaborazione cui l'Italia partecipa attivamente e che comprende i maggiori istituti di ricerca e università europei, due laboratori statunitensi e istituti asiatici. Il problema tecnico principale è quello della realizzazione di oltre 20.000 cavità risonanti SC da circa 1 m ciascuna ad alto campo e di costo contenuto; un intenso programma di ricerca e sviluppo ha già permesso, nell'arco di tre anni, di dimostrare la fattibilità della realizzazione industriale e l'operabilità in un a. di cavità che raggiungono 25 MV/m, campo ipotizzato per la prima fase (500 GeV) del progetto. Per ciò che riguarda la seconda linea, fra i principali componenti in via di sviluppo per le frequenze considerate (banda X) vi sono sorgenti a RF capaci di potenze dell'ordine di 100 MW e con altissima efficienza (50÷70%). Esistono già alcuni prototipi funzionanti di klystron a 11 GHz con le caratteristiche volute; fra le altre sorgenti proposte appaiono particolarmente interessanti gli schemi detti a due fasci, che utilizzano come sorgente di energia elettromagnetica un fascio di elettroni ausiliario di bassa energia e alta corrente che corre parallelo al fascio principale.
I parametri più significativi di alcuni dei CL in progetto sono riportati anch'essi nella tab. 2.
Acceleratori per la ricerca in fisica atomica e nucleare
Anche per questo tipo di applicazioni distinguiamo fra a. per elettroni e a. per ioni (protoni o ioni più pesanti). Alcune delle maggiori novità sono inoltre legate all'utilizzo delle tecniche di superconduttività: negli a. per elettroni allo sviluppo di linac SC a ciclo continuo, negli a. per protoni a linac SC di altissima intensità e potenza, e negli a. per ioni pesanti a ciclotroni SC.
Acceleratori per elettroni
Poiché la richiesta principale è quella di fasci molto intensi, quanto più possibile continui, e con bassa dispersione energetica, le macchine tradizionali, come elettrosincrotroni allungatori di impulso e linac 'caldi', sono oggi quasi completamente rimpiazzate da linac SC, a ciclo di utilizzo praticamente unitario, capaci di altissime correnti medie con alta risoluzione energetica.
Il più grande, in funzione dal 1994 negli USA, è CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) dei laboratori Thomas Jefferson di Newport News in Virginia (v. tab. 3). È basato su un linac SC da 0,8 GeV nominali, che opera in banda L alla frequenza di 1500 MHz, nel quale il fascio da accelerare viene fatto ripassare cinque volte, utilizzando quattro canali magnetici di ricircolo sovrapposti secondo uno schema simile a quello di un microtrone racetrack. Si ottiene così un'energia finale nominale di 4 GeV a un'intensità di corrente media accelerata di 200 μA. I valori nominali dell'energia finale e del campo accelerante, 6 MV/m, sono stati largamente superati: si sono infatti raggiunti 5,5 GeV e oltre 8 MV/m medi. Il progetto ha diviso con LEP ed HERA un ruolo pionieristico di fondamentale importanza nello sviluppo di strutture acceleranti superconduttive applicate a grandi sistemi di accelerazione.
La tendenza della fisica del nucleo a richiedere energie massime anche più alte è indicata dal progetto europeo ELFE, allo studio, basato su un linac SC da 15÷30 GeV e 50 μA di intensità di corrente continua. Sempre a livello europeo è allo studio anche, nei laboratori DESY di Amburgo, una variante che utilizzerebbe un primo tratto di circa 20 GeV del futuro CL TESLA come iniettore dell'anello a elettroni di HERA (35 GeV) usato come allungatore d'impulso. Gli svantaggi di una macchina circolare verrebbero in questo caso compensati almeno in parte dall'alta energia, dalla grande circonferenza che facilita il raggiungimento di alti fattori di utilizzo e dall'economicità dell'impiego di un a. esistente. Si prevede di poter ottenere 30 μA di intensità di corrente media a 25 GeV con fattore di utilizzazione vicino al 90%.
Acceleratori per protoni e ioni pesanti
L'interesse per fasci di ioni pesanti è notevole, tanto che oltre alle numerose macchine dedicate (soprattutto ciclotroni, a. lineari e anelli di accumulazione) anche molti PS e AC di alta energia per protoni, come SPS e LHC del CERN, sono stati o saranno in seguito messi in grado di accelerarne. Un notevole impulso hanno anche ricevuto, soprattutto per gli a. più piccoli, le tecniche di 'raffreddamento' di fasci ionici mediante fasci ausiliari di elettroni 'freddi' con energie di agitazione termica di pochi MeV. Questi elettroni vengono fatti viaggiare nell'a., sovrapposti per un tratto al fascio ionico e alla sua stessa velocità, così che gli ioni cedano per urto gran parte della loro quantità di moto trasversa agli elettroni riducendo corrispondentemente l'energia del proprio moto di agitazione termica. Il raffreddamento consente di ottenere notevoli guadagni in termini di collimazione, di dispersione in energia e di densità di particelle. I fasci raffreddati possono essere utilizzati direttamente o iniettati in un successivo acceleratore, con notevoli vantaggi per l'intensità e la qualità di fascio di quest'ultimo.
Nel campo degli a. per ioni pesanti di bassa energia va segnalata l'entrata in funzione in Italia di due importanti complessi nei laboratori dell'INFN di Catania (Laboratori Nazionali del Sud, LNS) e di Legnaro (LNL). I LNS sono dotati di un a. elettrostatico tipo 'tandem' da 16 MeV che, oltre a poter essere usato di per sé, può iniettare in un ciclotrone superconduttivo con campo di 4,8 T (tab. 3). Il vantaggio dello schema a due a. è che a valle del primo può essere inserito uno stripper addizionale per aumentare lo stato di carica dello ione da accelerare nel secondo. Si raggiungono 100 MeV/u per atomi (di massa non troppo elevata) completamente ionizzati e 20 MeV/u per U³⁸⁺ (u=unità di massa atomica, scala unificata=1,007 volte la massa del protone). I LNL sono dotati di un analogo sistema costituito da un a. 'tandem' da 16 MeV e dal linac ALPI, il cui sistema di accelerazione, costituito da 93 cavità a RF superconduttive, permette di raggiungere energie fra 6 e 20 MeV/u per masse fino a quella del nucleo di uranio. In Francia il laboratorio GANIL di Caen, uno fra i più importanti centri mondiali, è dotato di due ciclotroni in cascata con il loro complesso sistema di iniezione formato da altri ciclotroni di minore energia e da vari tipi di sorgenti. Può accelerare ioni fino a Pb²³⁺ e le massime energie ottenibili sono di oltre 100 MeV/u. Installazioni similari esistono in Giappone (RNCP a Osaka e RIKEN a Wako), Cina e nella Repubblica Sudafricana.
Come sopra accennato, molti a. per protoni e ioni di energia bassa o media utilizzano tecniche di raffreddamento. Fra questi l'a. LEAR del CERN (v. acceleratore, App. V, tab. 2), unico anello costruito esclusivamente per decelerare e raffreddare antiprotoni, fino a un'energia minima di 5 MeV, allo scopo di confrontare il comportamento della materia con quello dell'antimateria. Fra i molti importanti risultati ottenuti con LEAR ricordiamo la produzione e lo studio, per la prima volta, di atomi di anti-idrogeno. L'anello, ora disattivato, sarà sostituito dal LEIR (Low Energy Ion Ring) come sorgente di antiprotoni per il collisore LHC. Sono inoltre in funzione una decina di macchine con energie per lo più nell'intervallo fra 1 e 20 MeV/u, quasi tutte attrezzate per il raffreddamento dei fasci. Quelle di energia maggiore sono per lo più dedicate a studi di fisica del nucleo, mentre l'interesse prevalente di quelle a energia minore è per la fisica atomica e molecolare. Fra le prime ricordiamo, a titolo esemplificativo del tipo di macchine usate e delle prestazioni raggiunte, il complesso del laboratorio GSI di Darmstadt: comprende due a. lineari iniettori per protoni e ioni, UNILAC da 20 MeV/u e HLI, varie sorgenti di ioni ad alta intensità, il sincrotrone ad alta intensità SIS (2 GeV/u e ≥10¹⁰÷10¹¹ ioni a impulso) e l'anello di accumulazione ESR (0,8 GeV/u e fino a 10¹⁰ ioni accumulati e raffreddati). L'intervallo di energie coperte dal complesso va da 50 a 2000 MeV/u a seconda del tipo e dello stato di carica degli ioni (p÷U⁷³⁺). Un'installazione simile, ma solo per protoni (con raffreddamento), è COSY, a Jülich, dotata di un PS da 2 GeV che accelera anche fasci polarizzati. I parametri dei principali anelli per ioni con raffreddamento elettronico sono elencati nella tab. 4.
Dal punto di vista tecnico i maggiori sviluppi hanno riguardato, oltre le tecniche di raffreddamento, le sorgenti ioniche (specie, correnti e stati di carica dei fasci ionici) e i sistemi di iniezione in generale, quasi sempre comprendenti pre-acceleratori del tipo RFQ (Radio Frequency Quadrupole) adatti ad accelerare fino a energie di qualche MeV fasci intensi di protoni o ioni.
Venendo alle energie più alte, fasci di ioni con un grandissimo numero di nucleoni (e quindi di quark) e di altissima energia consentono un vasto programma sperimentale indirizzato allo studio del cosiddetto plasma di quark e gluoni, lo stato della materia presente negli istanti iniziali di formazione del nostro Universo. In quest'ottica, il sincrotrone SPS del CERN e il suo sistema di iniezione, modificati con l'aggiunta, tra l'altro, di un nuovo linac per ioni, sono stati messi in grado di fornire fasci di ioni Pb⁸³⁺ fino a energie di circa 160 GeV/u, e la sperimentazione che vi viene condotta ha già dato importanti risultati. Il passo successivo è costituito dall'AC per ioni pesanti RHIC, da 100 GeV/u per fascio, la macchina di più alta energia nel campo, in funzione dal 1999 nel laboratorio nazionale statunitense di Brookhaven (N.Y.). RHIC impiega magneti superconduttivi con campo di 6,5 T. In Russia, il sincrotrone NUCLOTRON 2 dei laboratori di Dubna, presso Mosca, anch'esso con magneti superconduttivi, può raggiungere energie fra 6 e 25 GeV/u per ioni fino all'uranio.
Ha avuto grande sviluppo l'utilizzo di a. per la produzione di fasci di ioni radioattivi (FIR), e cioè di ioni metastabili con vite medie che vanno dal centinaio di μs in su, creati artificialmente per frammentazione di ioni di alta energia incidenti su bersagli (sottili) o per reazioni nucleari in bersagli (spessi) bombardati da fasci primari di protoni o ioni pesanti, con energie che possono andare dalle decine di MeV fino ai GeV e potenze fino al centinaio di kW. In questo secondo caso gli ioni radioattivi sono prodotti a bassa energia e vanno raccolti, selezionati e riaccelerati. Lo studio degli ioni radioattivi fornisce informazioni interessanti, oltre che per la fisica del nucleo, anche per l'astrofisica (nucleosintesi stellari) e per la struttura della materia (effetti di imperfezioni reticolari e di impurità). I maggiori complessi in costruzione per la produzione di FIR da a. sono presso il PS del CERN (ISOLDE) e in Giappone (RIKEN). Quest'ultimo, che si prevede entri in funzione intorno al 2006, permetterà di produrre oltre 2000 diverse specie ioniche con energie fino a 400 MeV/u. Va ricordato infine il progetto in corso in Italia a Catania (LNS), che utilizza fasci ionici primari dal ciclotrone SC per produrre gli ioni radioattivi che vengono poi riaccelerati nell'a. 'tandem'.
I parametri aggiornati di alcuni fra i principali a. per ioni di alta energia sono riportati nella tab. 3.
Acceleratori per ricerche sulla struttura della materia
Acceleratori per la produzione di Radiazione di Sincrotrone (RS)
Il numero di anelli di accumulazione per elettroni dedicati alla produzione di RS è ancora in crescita: si contano a livello mondiale oltre 50 installazioni di varia grandezza e soltanto in Europa ne sono attualmente in progetto o in costruzione quattro. Si costruiscono sia a. per ricerca con prestazioni in intensità, brillanza e struttura temporale sempre più spinte, sia macchine dalle caratteristiche studiate appositamente per determinate applicazioni, per lo più di tipo industriale (caratterizzazione di prodotti, micromeccanica ecc.). I campi di ricerca sono molto vari e vanno dalla struttura della materia alla chimica, alle scienze biologiche; varie sono anche le attività a carattere applicativo soprattutto in campo medico (radiologia, angiografia ecc.). Il parametro di qualità più importante, anche se non l'unico, per gli esperimenti scientifici di punta, è la brillanza, una grandezza che misura globalmente la qualità del fascio di fotoni in termini di intensità, collimazione, dispersione energetica e dimensioni; un'altissima brillanza corrisponde infatti a fasci con spiccate caratteristiche di coerenza. La massima brillanza teoricamente ottenibile è limitata dalla diffrazione e cresce quindi al diminuire della lunghezza d'onda utilizzata. Le sorgenti a più alta brillanza non sono i magneti curvanti dell'a. ma elementi magnetici speciali (ondulatori) disposti in appositi tratti diritti distribuiti lungo l'anello. Brillanze ancor più elevate si possono ottenere con laser a elettroni liberi (v. oltre), sempre più spesso realizzati accanto agli a. per RS o come parte di essi.
Per ciò che riguarda la tecnica, osserviamo che per la massima efficienza di queste 'fabbriche di fotoni' è opportuno che l'energia di funzionamento dell'anello sia fissa e che l'iniezione avvenga all'energia di lavoro. Quest'ultima dipende dall'intervallo di energie fotoniche nel quale si desiderano ottimizzare le prestazioni, cosicché occorrono macchine con energie di lavoro diverse per coprire con la massima efficienza l'intervallo di lunghezze d'onda d'interesse, fra il visibile e i raggi X più duri. L'energia richiesta non supera di norma i 10 GeV ma ciò non toglie che, prescindendo dal costo, si possano utilizzare vantaggiosamente macchine con energia più alta.
Fra gli a. più recentemente entrati in funzione in Europa, va ricordato quello da 6 GeV di ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) a Grenoble, un laboratorio europeo finanziato e gestito da un'associazione fra tutti i paesi dell'Europa comunitaria con la partecipazione di alcuni esterni, cui l'Italia contribuisce per il 15%. L'anello è ottimizzato per la produzione di radiazione X dura e cioè per lunghezze d'onda fra circa 1 e 0,1 Å (12÷120 keV); può ospitare più di cento stazioni sperimentali e produce fasci da ondulatore con brillanze di oltre 10²⁰ fotoni/(s∙mrad²∙mm²∙0,1% Δλ/λ). In Italia è in funzione a Trieste la macchina di terza generazione ELETTRA da 2 GeV, ottimizzata per l'intervallo fra circa 10 e circa 1 Å (1÷12 keV); può ospitare fino a oltre 40 stazioni sperimentali e raggiunge brillanze dell'ordine di 10¹⁹ nelle stesse unità. In Svizzera è in costruzione, nei laboratori di Zurigo dell'Istituto Paul Scherrer, l'a. SLS (Swiss Light Source) da 2,1 GeV, che utilizza anche magneti superconduttivi. Sono in fase di progetto, in Francia l'a. SOLEIL da 2,2 GeV, nel Regno Unito, a Daresbury, l'a. DIAMOND da 3 GeV e in Spagna una macchina da 2,5 GeV presso il LSB (Laboratorio del Sincrotró de Barcelona). Negli USA sono entrate in funzione nel laboratorio di Argonne (Ill.) la macchina APS (Argonne Photon Source) da 7 GeV, e nei laboratori LBL di Berkeley (Calif.) l'a. ALS (Advanced Light Source) da 1,5 GeV; in Giappone la macchina da 8 GeV SPRING 8. Altri a. di energie fra 0,5 e 2,5 GeV sono entrati in funzione a Taiwan, in Corea, in India e in Cina.
Le caratteristiche di alcuni dei più recenti a. in funzione, proposti o in costruzione, sono riportate nella tab. 5.
Laser a elettroni liberi (FEL)
Il FEL (Free Electron Laser), sorgente di radiazione elettromagnetica coerente, utilizza per l'emissione laser un fascio di elettroni relativistici liberi anziché mezzi con stati atomici o molecolari legati come un laser tradizionale (v. laser, App. V). Accordabile, potenzialmente capace di coprire intervalli di lunghezze d'onda non accessibili alle sorgenti laser convenzionali e suscettibile di raggiungere elevatissime potenze con alta efficienza, è uno strumento la cui diffusione è in rapida crescita. Poiché i suoi fasci fotonici, altamente coerenti, possono raggiungere brillanze di molti ordini di grandezza superiori a quelle delle migliori sorgenti di radiazione di sincrotrone di terza generazione, è un naturale complemento a queste ultime e anzi, secondo l'opinione di molti, sarà alla base della quarta generazione di esse. Nell'intervallo spettrale che va dalle onde millimetriche al visibile esistono, oltre ad alcune decine di apparati in fase sperimentale, anche una decina di installazioni per ricerca fondamentale e applicata aperte agli utenti, di cui tre in Europa (Amsterdam, Orsay, Frascati), dotate complessivamente di circa venti diversi FEL. È anche avviata un'intensa attività su impianti di tipo applicativo destinati all'industria, principalmente per il trattamento di materiali, alla medicina, soprattutto per la chirurgia, e a tecnologie spaziali a fusione (v. oltre).
Dal punto di vista tecnico il funzionamento del FEL dipende criticamente dalla qualità del fascio elettronico primario, che deve essere tanto migliore quanto minore è la lunghezza d'onda desiderata; la potenza raggiungibile dipende anch'essa da quella del fascio primario. L'estensione a regioni di corte lunghezze d'onda non accessibili ai laser convenzionali è legata perciò soprattutto allo sviluppo di fasci elettronici di caratteristiche adeguate ma anche, poiché a cortissime lunghezze d'onda è difficile realizzare degli specchi, al funzionamento nel regime detto di singolo passaggio o SASE (autoamplificazione della radiazione spontanea) piuttosto che in quello di tipo 'oscillatore'. Mentre già oggi la grande maggioranza dei FEL in funzione è pilotata da a. lineari, elettrodinamici o anche elettrostatici, i candidati naturali alla produzione di fasci elettronici per FEL con lunghezza d'onda ultracorta sono i linac SC che promettono di raggiungere la qualità di fascio e la potenza desiderate.
È in corso a livello mondiale un vasto programma di ricerca e sviluppo, articolato su diversi laboratori ed esperimenti, con l'obiettivo di realizzare un FEL che operi nella regione dei raggi X. A titolo di esempio riportiamo nella tab. 5 i dati del progetto in corso di realizzazione negli USA presso l'a. lineare californiano da 40 GeV di Stanford (1,5 Å, 10 GW di picco, generati da un fascio da 15 GeV in un magnete ondulatore lungo 100 m) e di quelli, in costruzione e in progetto nei laboratori DESY di Amburgo, basati sugli a. lineari SC del CL TESLA.
Sorgenti di neutroni a spallazione (SNS)
Le sorgenti di neutroni sono un fondamentale strumento interdisciplinare, complementare alle sorgenti di radiazione, per lo studio della struttura della materia nell'ambito della fisica, della chimica, della geologia, delle scienze biologiche, della scienza dei materiali, di grande rilevanza anche per applicazioni tecnologiche. Le tradizionali sorgenti da reattori, continue, vengono oggi gradualmente sostituite dalle SNS, impulsate, che producono neutroni per spallazione e cioè estraendoli per urto dai nuclei atomici di bersagli metallici bombardati con fasci di protoni. Mentre le prestazioni delle sorgenti da reattori sono rimaste sostanzialmente invariate nell'ultimo decennio, le SNS hanno beneficiato dei grandi progressi nella tecnologia degli a. e forniscono oggi fasci neutronici di altissima qualità e intensità largamente superiori a quelle ottenibili dalle prime. Il numero di neutroni prodotti è all'incirca proporzionale soltanto alla potenza del fascio di protoni, normalmente di media energia (ordine del GeV) e alta intensità di corrente media (ordine del mA). A seconda della durata dell'impulso prodotto le SNS si distinguono in sorgenti a impulso corto (ordine del μs o meno) e a impulso lungo (ordine dei 100 μs o più). Per le prime si utilizzano PS o a. lineari, per le seconde per lo più ciclotroni. Dal punto di vista tecnico, i principali problemi sono legati all'alta intensità dell'a. e alla realizzazione di bersagli capaci di sostenere le altissime potenze (dalle centinaia di kW ai MW) in essi dissipate dal fascio bombardante primario.
Nel campo delle SNS l'Europa detiene un indiscusso primato. La sorgente a impulso corto ISIS dei laboratori Rutherford nel Regno Unito (costruita e gestita nell'ambito di una larga collaborazione intereuropea cui anche l'Italia partecipa) con i suoi 160 kW di potenza di fascio e la sorgente continua SINQ del laboratorio Sorgenti di neutroni a Spallazione di Zurigo con 1 MW superano di uno o due ordini di grandezza l'intensità delle più recenti sorgenti da reattore nel mondo. Il fascio di protoni di SINQ è prodotto da un ciclotrone mentre quello di ISIS da un PS. Sorgenti di neutroni a spallazione di minore potenza sono in funzione in Russia, Stati Uniti e Giappone.
In Europa, negli USA e in Giappone sono in progetto sorgenti ancora più intense. Per es., il progetto europeo ESS (European Spallation Source), e quello americano NSNS (National SNS) prevedono potenze medie di fascio di ben 5 MW. L'insieme di a. di protoni di ESS, particolarmente complesso a causa dell'altissima intensità, comprende due sorgenti H⁻ da 60 mA ciascuna seguita da un a. RFQ. I fasci dei due RFQ vengono combinati e il fascio risultante viene accelerato fino a 70 MeV in un linac a tubi di deriva in banda C e quindi fino a 1,3 GeV in un secondo linac in banda L. Il fascio H⁻ viene quindi convertito in un fascio di protoni all'atto dell'iniezione in uno o nell'altro di due anelli di accumulazione indipendenti, dai quali infine, per estrazione in sequenza con ripetizione di 50 Hz, si ottengono impulsi di durata inferiore a 1 μs e potenza media fino a 5 MW. Due bersagli per la produzione dei neutroni di spallazione, uno capace di 5 MW e uno di 1 MW, completano l'impianto la cui realizzazione sarà portata a termine nei prossimi anni.
Le caratteristiche principali di alcune delle maggiori SNS in funzione e in progetto sono riassunte nella tab. 6.
Acceleratori per applicazioni mediche e industriali
Acceleratori per applicazioni mediche
Le applicazioni dirette alla medicina sono certo le più diffuse, con molte migliaia di a. in funzione nel mondo. I principali campi di utilizzo sono la medicina nucleare e l'oncologia, ma l'uso di a. tende a estendersi ad altri campi, per es. alla radiologia e, come accennato trattando dei FEL, a quello della strumentazione chirurgica. Non vanno poi dimenticate le ricadute in medicina di tecnologie mutuate dal campo degli a., come la realizzazione dei grandi magneti superconduttivi per la diagnostica NMR. In generale si rileva, oltre a un considerevole aumento delle macchine dedicate alla produzione di radioisotopi per uso diagnostico, un deciso impulso all'adroterapia, il trattamento dei tumori con fasci di protoni e ioni; le prime grandi installazioni dedicate non soltanto alla ricerca ma anche all'effettivo trattamento adroterapico di malati sono infatti in funzione e molte altre sono in progetto. Significativi progressi si sono avuti anche nel campo delle tecniche angiografiche e radiografiche che utilizzano la radiazione di sincrotrone. Riguardo a queste ultime, recenti esperimenti in vari laboratori statunitensi ed europei, tra cui anche quello di ELETTRA a Trieste, hanno mostrato come l'utilizzo di fasci monocromatici altamente collimati prodotti dagli a. sorgenti di radiazione di sincrotrone, unito alle tecniche messe a punto per la ricerca avanzata con raggi X, permetta di ottenere radiografie con risoluzione molto maggiore di quella delle tecniche convenzionali e allo stesso tempo di somministrare una dose minore al paziente, fattori entrambi di grande impatto potenziale sulle campagne di screening antitumorale della popolazione.
Per la produzione di isotopi a scopo diagnostico si utilizzano, oltre alle sorgenti di neutroni e ai separatori elettromagnetici, che pur non essendo a. in senso stretto ne usano però la tecnologia (sorgenti, canali di trasporto magnetici ecc.), principalmente ciclotroni per protoni, di energia attorno a 20 MeV e alta intensità (5÷10 mA). Sono anche allo studio, per disporre di potenze di corrente e quindi di velocità di produzione maggiori, ciclotroni e linac con energie fino 100 MeV.
Per il trattamento dei tumori con raggi X il linac va rapidamente sostituendo le sorgenti di cobalto. Secondo recenti statistiche negli USA gli a. lineari sono già in numero doppio di quelle, e pari a uno ogni 150.000 abitanti. Resi compatti, leggeri e affidabili, essi fanno parte di complessi sistemi rotanti computerizzati, spesso a più fasci, capaci di massimizzare il rapporto fra la dose ricevuta dal tumore e quella ricevuta dai tessuti sani circostanti.
Un ulteriore progresso in questa direzione, particolarmente per tumori localizzati e vicini a tessuti e organi delicati, è costituito dall'adroterapia; protoni e ioni presentano infatti una ben definita distanza di penetrazione, funzione dell'energia, accompagnata da un marcato incremento della ionizzazione specifica e quindi dell'efficacia antitumorale, in vicinanza del punto di arresto. Gli a. usati sono principalmente ciclotroni e sincrotroni, e le particelle protoni o ioni leggeri, tipicamente carbonio. In Europa sono in funzione una decina di centri sperimentali di adroterapia, con una statistica complessiva di oltre quindicimila pazienti trattati; un elenco con le caratteristiche principali degli a. è riportato nella tab. 7. Sono invece entrati in funzione i primi due grandi centri ospedalieri, in California quello di Lloma Linda e in Giappone, a Chiba, il centro HIMAC (Heavy Ion Medical Applications Center), attrezzati con più di un a. e più sale di trattamento per far fronte alle esigenze delle diverse patologie variando il tipo di particelle, energie e programmi di irradiazione e tenendo conto del numero di casi da trattare annualmente. Per es., HIMAC è dotato di un linac iniettore e di due sincrotroni indipendenti, capaci di accelerare protoni e nuclei, dall'elio fino all'argo, a energie fra 100 e 800 MeV/u. I fasci possono essere distribuiti su tre sale di trattamento, con diverse orientazioni. Altri centri ospedalieri sono in progetto in varie parti del mondo, e fra essi in Italia quello denominato TERA, basato su un PS da 60÷400 MeV/u per l'accelerazione di ioni H⁻ e C, iniettato da un linac. Il progetto prevede cinque diverse sale di trattamento, servite dal fascio del PS e anche da quello (fino a 11 MeV) dell'iniettore, per la cura di oltre mille pazienti l'anno. Anche nei laboratori di Catania dell'INFN (LNS) è in progetto la realizzazione di un centro di adroterapia di tumori dell'occhio basata sul fascio di protoni del ciclotrone CS (tab. 3). Dal punto di vista tecnico i principali problemi di queste installazioni riguardano, oltre il costo e l'affidabilità di funzionamento in ambiente ospedaliero, la precisione e la riproducibilità dei parametri di fascio essenziali per il controllo della localizzazione e dell'intensità delle dosi somministrate al paziente: corrente, distribuzione spaziale e angolare, profilo temporale ed energetico ecc. Particolare cura richiedono anche i complessi meccanismi di trasporto, che devono poter far ruotare il fascio intorno al paziente per coprire con estrema precisione la zona da irradiare minimizzando allo stesso tempo la dose ai tessuti sani (irradiazione isocentrica), e che rappresentano una frazione importante del costo totale dell'installazione.
Acceleratori per applicazioni industriali
Per molte delle applicazioni più comuni di a. come la saldatura, la sterilizzazione di cibi, materiali medici e fanghi, la modifica di materie plastiche, l'impiantazione ionica ecc. può essere consultata ancora la trattazione contenuta in App. V.
È da notare invece l'interesse crescente per i linac a elettroni come piloti di FEL da utilizzare in applicazioni relative principalmente al trattamento di materiali. Dai FEL ci si attendono infatti notevoli vantaggi tecnici e di costo rispetto ad altri metodi di trattamento. Le loro caratteristiche di accordabilità, potenza ed efficienza permetterebbero infatti sia di intervenire con precisione sui legami molecolari per modificare nel modo voluto la struttura dei materiali irraggiati, sia di trattare grandi quantità di materiale a costi contenuti. Un esempio è il progetto in corso nei laboratori Thomas Jefferson negli USA che, sostenuto da un consorzio di università e industrie, ha in programma la realizzazione di una serie di FEL per uso industriale, pilotati da piccoli linac SC, operanti in diverse bande di frequenza dall'infrarosso all'ultravioletto vicino. Un primo prototipo nell'infrarosso è in funzione e ha raggiunto una potenza media dell'ordine di 1 kW con alta efficienza. Fra i molti possibili obiettivi si citano, per es., la produzione di fibre sintetiche per tessuti, ottenute a partire da polimeri commerciali a basso prezzo, di qualità e aspetto comparabili a quelli delle fibre naturali, e i trattamenti per aumentare la resistenza meccanica e alla corrosione di materiali metallici. La praticabilità di molte delle applicazioni proposte è stata dimostrata utilizzando laser convenzionali il cui costo per unità di potenza è però troppo elevato per la commercializzazione del prodotto.
È anche crescente l'interesse per la fabbricazione di microcomponenti - ottici, meccanici ed elettronici - con dimensioni fino all'ordine del millesimo di millimetro mediante radiazione di sincrotrone (e FEL), soprattutto con tecniche tipo LIGA (Litographie Galvanoformung Abformung; v. microtecnologie, in questa Appendice). Va detto che, nonostante la gran varietà dei prodotti - dall'ingranaggio al motore elettrico, al sensore per scopi medici - e la loro potenziale suscettibilità di una moltitudine di applicazioni, l'effettivo mercato è ancora allo stato embrionale.
Si ricordano infine gli studi per lo sviluppo di a. portatili di protoni per produrre fasci di neutroni veloci per scopi di polizia, tipicamente l'ispezione dei bagagli negli aeroporti. Utilizzando neutroni si possono infatti individuare quelle sostanze ricche di elementi leggeri (carbonio, azoto, ossigeno ecc.), come droghe ed esplosivi, che sfuggono alle normali macchine a raggi X.
Acceleratori per l'energia e l'ambiente
Già da molti anni si sono riconosciute le potenzialità degli a. di particelle pesanti per la produzione di energia più sicura e pulita e per lo smaltimento di scorie radioattive. Per quanto riguarda il primo argomento, i fasci di protoni e di ioni pesanti (dallo xeno al piombo), per le loro potenze medie e di picco, efficienza, affidabilità, durata di vita, e perfetta controllabilità sono naturali candidati per il pilotaggio di reattori a fissione sottocritici, intrinsecamente sicuri, o a fusione con tecniche inerziali. In quest'ultimo campo, inoltre, i FEL si propongono come alternativa ai laser convenzionali oggi in uso.
Nel caso della fusione inerziale (FI) si calcola che, per rendere il processo energeticamente ed economicamente conveniente, la produzione dell'impulso di laser o di particelle utilizzato per far implodere il bersaglio (pellet) deve richiedere al più un decimo dell'energia liberata per fusione dal bersaglio stesso, che è dell'ordine di 200 MJ. D'altra parte, per innescare la reazione, l'impulso stesso deve cedere al bersaglio, di pochi mm di diametro, all'incirca 4 MJ in 10 ns (corrispondenti a una potenza di picco di 4∙10⁸ MW). Ne segue che l'efficienza energetica globale del pilotaggio dev'essere non inferiore al 20% circa. Inoltre un'installazione commerciale dovrebbe lavorare a una frequenza di ripetizione di molti impulsi al secondo. Queste specifiche sono ben compatibili con le efficienze e le ripetizioni degli odierni a., anche se lo sviluppo di macchine che riuniscano tutte le caratteristiche desiderate (altissima potenza, alta ripetizione, alta efficienza, alta qualità di fascio) a costi competitivi richiede ancora del lavoro. I laser convenzionali di potenza adeguata, per lo più sviluppati (come anche i linac a induzione) per scopi militari, diretti competitori in termini di potenze d'impulso, hanno efficienze energetiche proprie dell'ordine del percento, e soltanto di recente alcuni tipi hanno raggiunto frequenze al di sopra di qualche Hz; in generale è oggi alquanto dubbio che per affidabilità e robustezza siano atti a far parte di un'installazione di tipo industriale. Gli a. si affacciano anche qui sulla scena perché le caratteristiche dei FEL sembrerebbero poter permettere di superare almeno alcune di queste limitazioni.
Le difficoltà tecniche d'impiego degli a. per ioni sono legate soprattutto alla difficoltà di trasportare e focalizzare fasci con l'altissima densità di carica richiesta dall'alta potenza di picco in presenza delle forze repulsive fra particelle di eguale carica, e alla richiesta che l'energia ceduta al bersaglio sia distribuita sulla sua superficie in maniera estremamente uniforme, con deviazioni cioè dalla perfetta simmetria che non eccedano qualche percento. Per il primo problema una delle soluzioni allo studio è quella di utilizzare più fasci di minore intensità, separatamente accelerati e focalizzati sul bersaglio. Per il secondo si ipotizzano sistemi di riscaldamento 'indiretti': i fasci vengono convertiti, nelle pareti di una camera di reazione che contiene il pellet, in raggi X molli che diffondendosi nella camera stessa riscaldano isotropicamente il bersaglio. Reattori di questo tipo sono allo studio sia negli USA che in Europa. Gli schemi statunitensi sono basati soprattutto su a. lineari a induzione; per es. il progetto ILSE di SLAC/LBL prevede un linac a induzione multifascio da 4 GeV che accelera 100 kA di ioni cesio e una camera di reazione a riscaldamento indiretto. In Europa si studiano soprattutto combinazioni di linac a RF e sincrotroni.
Con riguardo alla fissione, sono stati di recente ripresi sia in Europa che negli USA gli studi, le cui origini risalgono agli anni Sessanta, sull'utilizzazione di a. per la realizzazione di reattori intrinsecamente sicuri e per il trattamento delle scorie di reattori convenzionali. In un reattore convenzionale il processo di fissione indotto da neutroni all'interno del reattore stesso è sostenuto da reazioni a catena. In termini semplici e necessariamente non del tutto rigorosi ciascuna fissione elementare produce cioè, oltre a energia, un numero di neutroni sufficienti a innescare altre reazioni; la possibilità di instaurare una reazione a catena dipende dal materiale fissile usato (per es. U²³⁸) e dalla geometria del reattore. Per tenere sotto controllo il processo ed evitare che il numero di reazioni cresca in maniera esponenziale occorre regolare la quantità di neutroni prodotti, assorbendone parte in barre di controllo di materiale non fissile in modo che il numero di quelli liberi sia appena sufficiente a tenere costanti nel tempo il numero di fissioni e l'energia prodotta. In un reattore intrinsecamente sicuro, invece, il tipo di materiale fissile e la geometria del reattore stesso sono tali che il numero di neutroni prodotti in ciascuna fissione non è sufficiente a sostenere una reazione a catena. In questo caso il reattore si dice sottocritico e, se lasciato a se stesso, in brevissimo tempo si estingue del tutto. Per il suo funzionamento a regime è quindi necessario fornirgli dall'esterno i neutroni mancanti, per es. a mezzo di un a.; poiché d'altronde quest'ultimo, come ogni apparecchio elettrico, può essere spento e acceso con un semplice interruttore e poiché mancando il suo apporto di neutroni il reattore automaticamente si spegne, il processo è intrinsecamente sicuro. Le possibili scelte del materiale fissile e della geometria del reattore, non più vincolate dalla necessità di un processo autosostenuto, sono inoltre assai più ampie, consentendo di realizzare sistemi nei quali non solo sono ridotte la quantità di residui radioattivi a parità di energia prodotta e, cosa fondamentale per la gestione ambientale dei residui stessi, la vita media della loro radiotossicità da molte centinaia a poche decine di anni, ma il flusso neutronico può anche essere usato per trasmutare scorie a vita media lunga, prodotte da reattori convenzionali, in altre non radiotossiche o comunque a vita breve.
Gli a. per la produzione di neutroni sono evidentemente gli stessi presi in esame trattando delle sorgenti a spallazione, a. lineari per particelle pesanti e ciclotroni, con analoghe potenze medie dell'ordine delle decine di MW. Fra i vari schemi proposti, ricordiamo quello detto amplificatore di energia, in fase di sperimentazione al CERN e in altri laboratori europei, che utilizza come materiale fissile il torio e che può essere adoperato anche per la trasmutazione di scorie radioattive. Per l'a. vengono considerati al momento sia un ciclotrone che un a. lineare superconduttivo per protoni con energie dell'ordine di 1 GeV e intensità della corrente di fascio dell'ordine di 10 mA, corrispondenti a una potenza di fascio dell'ordine di 10 MW. Ciclotroni di questa potenza non sono oggi disponibili e richiedono lavoro di sviluppo.
Nuove tecniche di accelerazione
La ricerca di nuove tecniche di accelerazione è pilotata soprattutto dalle esigenze della ricerca avanzata, in termini di energie massime, intensità e qualità dei fasci, e dalla necessità di ridurre i costi a parità di prestazioni, obiettivo quest'ultimo comune a tutte le applicazioni ma particolarmente rilevante per i grandi a. di ricerca. A grandi linee, si può affermare che in primo luogo si perseguono l'aumento dei valori dei campi, elettrici acceleranti e magnetici di guida, per ridurre le dimensioni dell'a., e il miglioramento dell'efficienza globale di trasferimento di energia dalla rete al fascio per ridurre i costi legati alla lunghezza e al consumo energetico dell'a. stesso. Per a. che non utilizzino tecniche superconduttive la richiesta di campi più alti conduce a lavorare a frequenze molto più alte delle attuali e quindi con dimensioni trasverse dell'a. molto ridotte. Per strutture SC il problema principale da risolvere è invece l'ottenimento di campi acceleranti il più possibile vicini ai limiti massimi teorici (per il niobio circa 60 MV/m) in modo affidabile e a costi sostenibili.
In secondo luogo, fattori legati alle necessità sperimentali come luminosità crescenti con l'energia per i collisori, altissime intensità per le sorgenti a spallazione, altissime collimazioni e piccole dimensioni per le sorgenti di radiazione di sincrotrone, o infine le alte frequenze di cui sopra, inducono a studiare metodi per ottenere fasci intensi di altissima brillanza e quindi contenibili in dimensioni micrometriche o submicrometriche nelle tre dimensioni. Si comprende come gli stessi, estremamente schematici, obiettivi possano risultare interessanti per moltissime altre applicazioni, in particolare quelle, spesso dominate da fattori di costo, di tipo industriale.
Delle nuove tecnologie legate alla superconduttività si è già detto. Aggiungiamo qui soltanto che nel campo dei magneti si punta, per eventuali nuovi AC, a protoni di energie intorno a 50 TeV, a campi magnetici dell'ordine di 15 T e, per le strutture acceleranti di CL, a campi elettrici acceleranti dell'ordine di 40 MV/m, vicini al limite ultimo imposto dalle leggi della superconduttività. Si è anche già menzionato il sistema di a. a due fasci per l'efficiente generazione di potenza alle altissime frequenze, sul quale importanti progressi sono stati fatti soprattutto in relazione al progetto CLIC.
Fra i possibili sviluppi, su una scala di tempi che oggi appare assai più lunga, va ricordata anche la proposta di realizzare, con lo specifico scopo di studiare il campo di Higgs, AC per mesoni μ, leptoni instabili la cui massa di riposo è circa duecento volte maggiore di quella dell'elettrone. Poiché a parità di energia la probabilità di produrre un mesone di Higgs è proporzionale al quadrato della massa dei leptoni in collisione, un AC muonico da soli 100 GeV per fascio potrebbe divenire un'intensa sorgente di mesoni Higgs. Lo studio di questo tipo di anelli, concettualmente assai complicati e che presentano non pochi problemi la cui effettiva risolvibilità è ancora da dimostrare, viene condotto soprattutto negli Stati Uniti.
A valori di campo accelerante ancora maggiori di quelli sopra citati, dell'ordine dei GV/m o più, mirano le ricerche che si basano sull'utilizzo di campi di scia in strutture metalliche, dielettriche o in plasmi (WFA, Wake Field Accelerator), o di onde di plasma eccitate da laser o da fasci ausiliari (PA, Plasma Accelerator), o direttamente di campi elettrici generati da laser in vuoto. Mentre significativi progressi si sono fatti nello studio di tutte queste diverse tecniche, i risultati più interessanti sono in gran parte da attribuire ai notevolissimi progressi conseguiti nell'ultimo decennio con la realizzazione di laser convenzionali di altissima potenza di picco e di dimensioni tanto ridotte da esser definiti 'da tavolo'. Da questi strumenti si ottengono oggi impulsi della durata di pochi femtosecondi con potenze di picco dell'ordine di decine o centinaia di terawatt; i campi elettrici che ne risultano possono arrivare alle centinaia di GV/m e aprono possibilità nuove sia per la generazione di onde di plasma che per l'utilizzo diretto dei campi stessi. Le applicazioni teoricamente ipotizzate spaziano dalla realizzazione di a. miniaturizzati ed economici, con energie fino al GeV, a quella enormemente più ambiziosa di CL di altissima energia e dimensioni contenutissime.
Da un punto di vista tecnico, la sperimentazione condotta ha definitivamente verificato la possibilità di ottenere campi dell'ordine della decina di GV/m e di accelerare pacchetti di particelle di brevissima durata fino a diverse decine di MV su pochi centimetri. Molta strada rimane però da fare prima non solo di poter concepire un sistema di accelerazione modulare completo e affidabile, ma anche di poter dimostrare l'accelerazione di correnti non trascurabili con caratteristiche di fascio definite e controllabili. In conclusione, problemi cruciali restano non solo la produzione di fasci di altissima brillanza, caratterizzati da pacchetti di particelle con intensità, dimensioni e durate compatibili con l'iniezione nell'onda di plasma accelerante (insieme di parametri ancora fuori dalla portata delle tecniche odierne), ma soprattutto la difficoltà di controllare e preservare la qualità del fascio accelerato nei campi altamente instabili e non lineari presenti in un'onda di plasma. Queste ultime difficoltà non sono ancora state affrontate sperimentalmente.
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