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Introduzione alle macchine acceleratrici dei LNL

I Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare hanno come attività principale la proposta, il coordinamento e la realizzazione di lavori di ricerca teorici e soprattutto sperimentali nel settore della Fisica Nucleare fondamentale, così come in altri settori legati allo studio delle interazioni della materia con le radiazioni o con i fasci di particelle. La Fisica Nucleare fondamentale è la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti protoni e neutroni e le loro interazioni, ed è – sin dalla fondazione – la missione principale dei Laboratori di Legnaro. Va notato tuttavia come l’attività interdisciplinare o applicativa, che cioè applica le scoperte ed i metodi della fisica nucleare ad altri rami della scienza (ad esempio la biologia e la medicina) e ad applicazioni di interesse industriale, sia sempre stata sostenuta dai LNL e stia assumendo un rilevo crescente. Tra queste attività possiamo citare: la modifica e il trattamento delle superfici dei materiali per migliorarne le caratteristiche meccaniche o elettriche.

Lo strumento principale in uso ai Laboratori per “sondare” la materia nucleare è l’acceleratore di ioni (uno ione è un atomo privo di uno o più elettroni e perciò dotato di carica elettrica positiva). Acceleratori di diversa potenzialità ricevono gli ioni da una sorgente di particelle e, lungo una conduttura in vuoto spinto, ne aumentano la velocità sino a farli collidere con un bersaglio a riposo, provocando una microscopica reazione nucleare. La zona della collisione (o “punto misura”) è circondata da opportuni strumenti (detti rivelatori) in grado di evidenziare le particelle prodotte nella reazione nucleare e determinare le loro caratteristiche (p. es. massa, energia, numero atomico, momento magnetico, e altre caratteristiche specifiche dei nuclei) e fornire ai ricercatori quel “database” che, con gli opportuni strumenti fisico-matematici e computazionali, consente di risalire alla struttura dei nuclei e alla definizione dei meccanismi delle reazioni nucleari coinvolte nella specifica collisione tra proiettile e bersaglio.

acc image001Fig. 1 – Schema del percorso del fascio dal Tandem ad ALPI e alle sale sperimentali; nella figura è indicato anche l’iniettore superconduttivo di ALPI, denominato PIAVE

I Laboratori nazionali di Legnaro, nati nel 1960, si sono sviluppati per circa 20 anni attorno ad acceleratori del tipo elettrostatico, di varia potenzialità. Dagli anni ’60 agli anni ’80 i LNL hanno infatti acquisito, significativamente migliorato e operato tre acceleratori elettrostatici di diversa potenzialità e tra di loro complementari (CN, AN2000 e Tandem). A metà degli anni ’80 hanno iniziato a progettare e costruire acceleratori di ioni di prestazioni ancora più elevate, sia per ampliare il corredo di macchine acceleratrici dei Laboratori sia partecipando allo sviluppo e realizzazione di acceleratori di maggiori dimensioni ed entità di investimento, realizzate in collaborazione con partners europei e mondiali.

Nei primi anni ’90 è entrato in funzione ai LNL l’acceleratore lineare (linac) superconduttivo denominato ALPI, utilizzato per imprimere ulteriore accelerazione agli ioni già accelerati con il Tandem. Nel 2004 è stato affiancato al Tandem, quale iniettore di ALPI, l’iniettore superconduttivo PIAVE, basato su RFQ (“quadrupoli a radiofrequenza” nell’acronimo inglese) a superconduzione.

La fig.1 mostra il percorso del fascio attraverso il Tandem (o PIAVE), ALPI, e verso le sale ove sono collocati i bersagli e gli apparati di rivelazione delle reazioni nucleari. Concluso il percorso di accelerazione (che nel caso di ALPI ha una forma ad U) le particelle possono essere indirizzate verso l’una o l’altra delle tre sale sperimentali con i vari punti di misura ove sono collocati i bersagli e gli apparati di rivelazione dei prodotti di reazione determinati dalla collisione proiettile-bersaglio.

In generale, negli ultimi 20 anni, è riconosciuto ai LNL dell’INFN un ruolo di riferimento importante nello sviluppo di linac superconduttivi e degli RFQ sia superconduttivi sia a temperatura ambiente. Tecnologi e ricercatori dei LNL hanno collaborato alla realizzazione:

  • dell’iniettore di ioni Pb del CERN di Ginevra (progetto LHC);
  • del dimostratore di IFMIF (acronimo inglese per “Apparato internazionale per l’irraggiamento dei materiali da fusione”), un acceleratore tecnologicamente molto ambizioso che servirà a collaudare materiali per i futuri reattori a fusione nucleare controllata, un modo innovativo e pulito di produrre energia nucleare in un futuro non troppo remoto;
  • del linac ISAC2 del laboratorio TRIUMF (Vancouver, Canada)

Nell’ultimo decennio, l’INFN ha approvato (e già finanziato in parte) la costruzione di un complesso per l’accelerazione dei cosiddetti fasci esotici (progetto SPES). Tale progetto prevede l’utilizzo di un ciclotrone di produzione industriale, che accelera un fascio di 750 uA di protoni su un bersaglio in carburo di uranio (UCx): come frammenti di tale impatto escono nuclei in generale molto più ricchi di neutroni di quelli disponibili in natura (detti per questa ragione “esotici”). Essi vengono ionizzati, selezionati e a propria volta ri-accelerati facendo uso, per la ri-accelerazione, degli acceleratori lineari già in essere ai LNL. L’impatto di fasci esotici su opportuni bersagli permette di sondare la materia nucleare, ad esempio, in condizioni simili a quelle che condussero ad agglomerare gli elementi più pesanti nei processi di “nucleosintesi” nei primissimi istanti di vita dell’universo: una branca della ricerca nucleare ancora largamente inesplorata.

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