Scienziati provenienti da tutti gli Stati Uniti si riuniscono presso il nuovo Neutron Lab del rinomato Oak Ridge National Laboratory per studiare le particelle più piccole che compongono la materia

Nelle ondulate colline delTennessee, tra piccole cittadine e ampi fiumi, sorge uno dei più famosi laboratori di ricerca della storia. È l’Oak Ridge National Laboratory, che oggi si staglia silenzioso e imponente nel paesaggio campestre, ma che, durante la Seconda Guerra mondiale, divenne tristemente noto come centro di produzione segreto di armi atomiche. La sua fama sta per cambiare poiché ospiterà la sorgente di neutroni più potente del mondo, un centro di ricerca pubblico destinato a essere teatro di scoperte che si prevedono sensazionali. Il nuovo Spallation Neutron Source (SNS) è frutto della collaborazione tra sei istituzioni dell’US Department of Energy, compresi i laboratori nazionali di Argonne, Brookhaven, Jefferson, Lawrence Berkeley, Los Alamos e Oak Ridge, ognuno dei quali effettuerà le proprie ricerche.

“Sono previsti fino a 2.000 fruitori esterni all’anno”, annuncia John Ankner, ricercatore dell’Oak Ridge. “Gli studiosi provenienti dalle università o da altri centri di ricerca nazionali avranno la possibilità di sottoporre le loro proposte, che saranno valutate da un comitato scientifico. I 24 strumenti in dotazione del centro sono considerati un bene comune e sarà assegnato un tempo per il loro utilizzo”. Lo studio dei neutroni ha permesso agli scienziati di approfondire la conoscenza della struttura della materia, che ha portato a numerosi progressi nel campo dei materiali, dalla plastica ai parabrezza, dai velivoli ai giubbotti antiproiettile, come pure in campo medico con la creazione di radioisotopi. Fin dagli anni ’40, la produzione in laboratorio di neutroni è avvenuta mediante reattori nucleari, ma ora i ricercatori voltano pagina e si affidano a una nuova tecnica chiamata “spallazione”.

“A partire dal 1960 non ci sono più stati grandi progressi nella tecnologia della fissione nucleare. I reattori a fissione si surriscaldano troppo e il calore limita la produzione di neutroni. Oggi la spallazione risulta da 10 a 15 volte più efficace e, in futuro, si prevede che la quantità di neutroni utili prodotti aumenti da 10 a 100 volte”, prosegue Anker.

“Ci auguriamo che, avendo a disposizione una tale energia, le cose possano essere viste più velocemente e se ne possano scoprire altre ad oggi inimmaginabili”.

In cima alla collina Chestnut Ridge sorge lo SNS: un elegante palazzo di cinque piani in vetro, acciaio e cemento, sede degli uffici, che s’incurva intorno all’estremità del Target Building. I lavori di costruzione saranno ultimati nell’aprile 2006, ma i ricercatori e il personale amministrativo hanno già traslocato nel Central Laboratory and Office (CLO) un anno fa.

“È il più bel posto in cui abbia lavorato, un vero privilegio. La struttura è incantevole anche dal punto di vista architettonico”, esclama Ankner, arrivato qui due anni fa dall’Argonne National Lab di Chicago.

Un ponte collega il CLO al Target Building, dove i neutroni generati dai protoni saranno impiegati per molteplici progetti di ricerca. Un acceleratore lineare lungo 500 m (LINAC) corre lungo un edificio a sinistra e supera quattro piccole torri di raffreddamento. Qui il consumo di elettricità è talmente elevato – la velocità dei protoni attraverso il LINAC è pressoché quella della luce – che il sito necessita di una propria centrale. I protoni fluiscono attraverso l’anello dell’accumulatore e quindi vengono fatti collidere contro il mercurio liquido, formando così i neutroni che, al pari dei raggi solari, irradiano dal bersaglio producendo 18 fasci neutronici.

 

Ogni fascio hauna lunghezza differente ed è stato realizzato appositamente per offrire esclusive opportunità di studio. I fasci sono muniti di chopper (del tipo a disco, Fermi e T-zero), ossia di dispositivi meccanici che permettono ai neutroni selezionati di giungere alla destinazione finale, il detector, dove i ricercatori provvedono alla loro raccolta.

Un fattore determinante che rende lo SNS più affidabile e più produttivo di altre strutture simili è l’impiego di chopper SKF fatti levitare da cuscinetti magnetici. Questa soluzione è esente da manutenzione ed elimina pertanto la necessità di ricorrere a dispendiosi e potenzialmente pericolosi interventi che, ogni due anni circa, si rendono necessari nelle strutture analoghe oggi in funzione.

“I chopper non magnetici con cuscinetti standard devono essere sottoposti a manutenzione ogni due anni”, commenta Bill McHargue, responsabile modulatori dello SNS Experimental Facilities Division.

I fasci di neutroni devono essere immersi in schermature protettive di calcestruzzo, acciaio e altri materiali impenetrabili. Tali schermi occupano molto spazio e rendono difficile l’accesso a causa dei fasci accelerati. Per questo viene impiegata una gru da 30 tonnellate che solleva i vari segmenti degli schermi. Occorrono da 10 giorni a due settimane prima che la carica radioattiva si esaurisca e i tecnici possano operare sui chopper. L’affidabilità è dunque di vitale importanza.

In proposito, Ankner aggiunge:”È una tecnologia di livello avanzato davvero interessante: i cuscinetti magnetici non si usurano e offrono durate di esercizio maggiori. Le operazioni di manutenzione richiedono molta cautela affinché nessuno sia esposto alle radiazioni. Se non si solleva il coperchio, nessuno rischia di essere contaminato”.

I chopper sono costruiti in base alle esigenze dei ricercatori per applicazioni specifiche. In ciascuno di essi, le aperture attraverso le quali fluiscono i neutroni possono assumere varie dimensioni ed essere rivestite di materiali diversi al fine di regolare l’assorbimento e la filtrazione dei neutroni. Molti fasci hanno da due a quattro chopper per il passaggio di neutroni e sono sincronizzati per far passare i neutroni selezionati.

Il fascio sei, uno scanner a piccola apertura angolare, è adibito allo studio di aggregati atomici e molecolari quali i polimeri, i domini magnetici e ogni tipo di nanostrutture. “Le molecole biologiche, quali i complessi proteici DNA, le fibre muscolari e le proteine presenti sulle membrane cellulari, sono aree di studio particolarmente importanti”, spiega Ankner. “Misurare le strutture di tali molecole in diverse condizioni chimiche e di temperatura ci permette di capire le funzioni batteriche e virali, nonché i processi metabolici e l’attività dei composti farmaceutici”.

Lo spettrometro a retrodiffusione sul fascio due ha il compito di misurare l’eccitazione della materia. “Il funzionamento delle cose è riferibile in parte al modo in cui esse vengono messe insieme, ma è importante conoscere la loro risposta interna. Potremo guardare all’interno dei materiali e osservare il movimento atomico insieme ai fenomeni chimici e di catalisi per capire il funzionamento dei materiali naturali e di quelli artificiali– gas, tossine, plastica, in pratica qualsiasi cosa”.

 

Per Ankner lo studiodei neutroni è particolarmente utile nel caso di materiali magnetici e di componenti che contengono idrogeno, che trovano applicazione nei computer, nello sviluppo di vaccini e di farmaci, nonché nella realizzazione di nuova plastica.

“Dopo 40 anni di carenza, ci troviamo ora a fronteggiare questa copiosa produzione di neutroni a cui possiamo unire strumenti ottimizzati. È un’opportunità unica, che ci permette di approfondire l’attuale conoscenza e di scoprire quanto finora era rimasto inesplorato.

“Il nostro è un laboratorio dove si produce conoscenza”.

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Sotto controllo

I chopper SKF offrono un controllo di fase molto preciso che consente di conoscere esattamente la posizione del carico utile e dei dischi durante la rotazione. La velocità di rotazione dell’albero può essere controllata e regolata secondo le necessità. Un ulteriore vantaggio dei chopper SKF è dato dal controller compatto MB350 PC/R, lungo 48 cm e alto 9 cm, che comprende il controllo di levitazione magnetica, l’elettronica di potenza e l’azionamento del motore. Il sistema di controllo del chopper e del motore è di facile impiego e offre una comunicazione in tempo reale.

Una volta completati i fasci di neutroni, lo SNS potrà utilizzare da 50 a 60 chopper SKF.

Secondo Bill McHargue, responsabile modulatori dello SNS Experimental Facilities Division, “la SKF offre una soluzione molto interessante”.

Tre dei chopper SKF saranno utilizzati per lo SNAP, un diffrattometro ad alta pressione la cui capacità di simulare pressioni molto elevate simili a quelle presenti nel centro della terra, lo rende adatto per lo studio del comportamento dei minerali sottoposti a pressione. In campo geologico, tale conoscenza potrebbe aiutare a spiegare alcuni fenomeni quali l’intensità e la durata dei terremoti.