Il ciclotrone SPES

a cura di A. Gozzelino

 I Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sono dotati di un ciclotrone di altissime prestazioni in energia e corrente per lo sviluppo di importanti programmi di ricerca sia fondamentale che applicata: lo studio di nuclei in condizioni eccezionali e di specie esotiche (ovvero nuclei instabili, con caratteristiche particolari di simmetria e ai limiti delle regione conosciuta del piano numero di protoni Z – numero di neutroni N), di interesse anche per la conoscenza dell’evoluzione delle stelle, accanto alla produzione di radionuclidi impiegabili a scopo medico e di fasci di neutroni dalle molteplici applicazioni.

Il ciclotrone è una macchina acceleratrice circolare in cui le particelle – nel caso dei LNL, i protoni – percorrono una traiettoria a spirale a partire dal centro e sono immerse in un campo magnetico perpendicolare fissato.

Le ricerche di frontiera della fisica nucleare riguardano lo studio di nuclei atomici di caratteristiche eccezionali, non costituenti la materia ordinaria, ma estremamente importanti per conoscere l’origine degli elementi nell’universo, le proprietà fondamentali della materia nucleare e l’evoluzione delle stelle. Il progetto SPES mira a fornire la strumentazione necessaria per tali ricerche di base, producendo fasci di nuclei altamente instabili, e crea al contempo infrastrutture e mezzi per attività applicative. Un importante obiettivo è la realizzazione di un laboratorio per la produzione di radioisotopi innovativi per applicazioni mediche nel campo della diagnostica e della terapia. La creazione di una sorgente intensa di neutroni aprirà sperimentazioni nei campi della scienza dei materiali e dell’energia, di interesse per l’industria e la medicina. Il cuore del progetto SPES è un ciclotrone di concezione avanzata in grado di produrre fasci di alta intensità di protoni con un’ideale gamma di energie, utilizzabili direttamente o come sorgente di fasci radioattivi.

Il nuovo ciclotrone per protoni del progetto SPES installato ai Laboratori Nazionali di Legnaro

L’evoluzione delle stelle e il loro destino dipendono in modo critico dal gioco fra la forza gravitazionale, che tende a farle collassare, e le reazioni nucleari nel loro nucleo che liberano energia e generano espansione. Inizialmente le stelle bruciano idrogeno trasformandolo in elio, quindi elio in carbonio, e così via a generare per fusione elementi chimici sempre più pesanti, fino al ferro. Gli elementi ancora più pesanti si formano per assorbimento di flussi di neutroni in situazioni che si realizzano nelle fasi finali della vita delle stelle, in particolare nelle supernove. Le specie nucleari formate in questi processi sono caratterizzate da un eccesso di neutroni, sistemi “esotici” non presenti sulla terra a causa della loro breve vita. L’intenso fascio di protoni del nuovo ciclotrone dei Laboratori Nazionali di Legnaro attraversando uno speciale bersaglio produce una varietà di nuclei ricchi di neutroni; un sistema di lenti elettromagnetiche da una parte seleziona la specie di interesse e dall’altra la trasporta e la inietta in un sistema accelerante. Il fascio di particelle accelerato interagisce con bersagli adeguati, scelti in modo da produrre nuovi nuclei estremamente ricchi di neutroni, come quelli generati nelle fasi stellari avanzate. Si potrà così studiare in laboratorio cosa avviene nel cuore delle stelle, ricavando informazioni cruciali per la conoscenza del nostro Universo.

Fotografia del bersaglio di produzione, della linea di trasferimento e della sorgente di ionizzazione ad alta temperature (1600 °C)

Il laboratorio per la produzione di radioisotopi di interesse medico (LARAMED) implementa la parte applicativa legata al ciclotrone di SPES. Le principali attività sono la misura di sezioni d’urto attraverso l’attivazione dei bersagli, lo sviluppo di bersagli ad alte prestazioni, lo sviluppo di metodi produttivi di radioisotopi per applicazioni teranostiche, ovvero di agenti diagnostici e terapeutici nello stesso tempo. Ci sono studi in stadio avanzato su tecnezio (Tc-99m), rame (Cu-64, Cu-67), stronzio (Sr-82), germanio (Ge-68), scandio (Sc-47), manganese (Mn-52, Mn-51), attinio (Ac-225), iodio (I-124). A queste ricerche di fisica medica, si affianca la produzione commerciale di radioisotopi in collaborazione con un’azienda privata.

  Imaging di un glioma con di-cloride e radioisotopo rame Cu-64

 Sito dell'esperimento