Utente:Pinkflag/sandbox2

La radiazione di sincrotrone o luce di sincrotrone è una radiazione elettromagnetica generata da elettroni (talvolta anche positroni) che si muovono su traiettorie chiuse sotto l'azione di un campo magnetico, a velocità prossime alla velocità della luce. La luce di sincrotrone viene prodotta per mezzo dell'acceleratore di particelle detto sincrotrone, ma viene generata anche da oggetti o eventi astronomici. La distribuzione delle frequenze della radiazione emessa dipende dalll'energia degli elettroni: tanto più elevata è la velocità alla quale sono accelerati gli elettroni, tanto più energetica sarà la radiazione emessa, che ha comunque uno spettro molto ampio, che si estende dalle onde radio ai raggi gamma.

L'elettrodinamica classica prevede l'emissione di radiazione da parte di cariche accelerate, ma per spiegare adeguatamente l'alta energia, la collimazione e altre proprietà della luce di sincrotrone, è necessario effettuare una trattazione di tipo relativistico.

Produzione

La produzione e l'utilizzo della radiazione di sincrotrone avviene in un unico complesso, in cui un acceleratore di particelle accelera un fascio di elettroni che viene poi immesso in un anello di accumulazione. L'energia degli elettroni negli anelli è dell'ordine di alcuni GeV.

In corrispondenza dei punti di curvatura, il fascio di elettroni subisce un'accelerazione ed emette di conseguenza radiazione elettromagnetica tangenzialmente all'anello.

Osservando sul piano dell'anello di accumulazione, si può assimilare un elettrone ad una carica oscillante lungo una linea retta, come un'antenna: la radiazione emessa avrà una frequenza determinata dalla sua frequenza di oscillazione nell’antenna, che chiameremo centrale.

Uguagliando il prodotto della massa relativistica per l'accelerazione centripeta con il modulo della forza di Lorentz, si ricava la velocità angolare dell’elettrone (3.16):

$\omega _{L}={\frac {eB}{\gamma m_{0}}}$

Secondo la teoria della relatività, la forza di Lorentz di modulo evB nel sistema del laboratorio corrisponde ad una forza elettrostatica di modulo \gamma evB nel sistema di riferimento dell'elettrone. La velocità angolare diventa quindi (3.17), e la lunghezza d’onda corrispondente (3.18):

$\omega _{L}={\frac {\gamma eB}{m_{0}}}$ $\lambda _{S}={\frac {2\pi c}{\nu _{S}}}={\frac {2\pi m_{0}c}{\gamma eB}}$

Magneti curvanti

I magneti curvanti hanno il compito di curvare la traiettoria degli elettroni per mantenerli sull'orbita circolare. Durante la curvatura, questi emettono radiazione

Applicazioni

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.

Applicazioni

La luce di sincrotrone ha diverse caratteristiche che la rendono la radiazione ideale per una vasta area di applicazioni scientifiche e industriali di punta.

1. Ampio spettro continuo, che rende possibili i metodi sperimentali più disparati, dalla microscopia IR alle tecniche di raggi X a dispersione di energia
2. Alta collimazione, che permette di focalizzare la radiazione su campioni microscopici, effettuare studi risolti spazialmente, e indagare interfacce e superfici
3. Elevato flusso di fotoni, che assicura un alto rapporto segnale/rumore anche con tempi di acquisizione ridotti, e consente così di effettuare misure risolte nel tempo
4. Polarizzabilità nel piano, per effettuare studi di dicroismo

Nei sincrotroni di alta energia (4-8 GeV) le tecniche sperimentali sono orientate in massima parte ai raggi X. Le più rappresentate sono:

Tecnica	Campo di indagine
Diffrazione su polveri (XRD)	Componenti cristallini di un materiale
Cristallografia di macromolecole (MX)	Struttura di proteine e acidi nucleici
Scattering a basso angolo (SAXS)	Struttura di polimeri, nanoparticelle, fibre biologiche
Spettroscopia XAS	Struttura di elementi ultradispersi
Scattering anelastico (IXS)	Dinamica dei solidi e dei liquidi
Imaging	Diagnosi per immagini per applicazioni biomediche
Litografia	Realizzazione di

Nei sincrotroni più piccoli, le energie accessibili si spostano verso il basso, focalizzandosi maggiormente verso i raggi X soffici e la radiazione di energia inferiore.

Economia e gestione

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.

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.

Bibliografia

• (EN) G. Margaritondo, Introduction to Synchrotron Radiation, Oxford University Press
• (EN) Synchrotron Radiation Sources, a Primer, a cura di H. Winick, World Scientific
• (EN) Handbook of Synchrotron Radiation, a cura di E.-E. Koch, T. Sasaki and H. Winick, North Holland
• (EN) J. Als-Nielsen e D. McMorrow, Elements of Modern X-Ray Physics, Wiley
• (EN) G. Rybicki, Radiative processes in astrophysics, Wiley

• (EN) Journal of Synchrotron Radiation (sito della rivista)

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