Un acceleratore lineare è un dispositivo che accelera la materia ad alta velocità spostandola lungo un percorso lineare con campi elettromagnetici. Il termine è più comunemente usato per riferirsi a un acceleratore di particelle lineare, o linac, che accelera atomi o particelle subatomiche. “Acceleratore lineare” può anche riferirsi a dispositivi che utilizzano l’elettromagnetismo per spingere oggetti più grandi, come pistole a bobina e cannoni a rotaia. Gli acceleratori lineari di particelle sono comunemente usati in medicina, industria ed esperimenti scientifici e gli acceleratori elettromagnetici per oggetti più grandi potrebbero avere applicazioni future per scopi come viaggi nello spazio e armi.
Un acceleratore di particelle lineare spara particelle caricate magneticamente. Questi possono essere atomi interi carichi, chiamati ioni, o particelle subatomiche come protoni ed elettroni. Innanzitutto, la particella da accelerare viene generata da un dispositivo elettromagnetico come un catodo o una sorgente di ioni e rilasciata in una camera a vuoto a forma di tubo rivestita di elettrodi. Gli elettrodi vengono quindi energizzati per creare campi magnetici oscillanti che impartiscono energia alla particella e la accelerano lungo il tubo verso il bersaglio del dispositivo. La disposizione precisa degli elettrodi all’interno del tubo, la potenza e la frequenza dell’energia inviata negli elettrodi e la dimensione degli elettrodi variano tutte a seconda delle particelle che vengono accelerate e dello scopo del dispositivo.
Un esempio semplice e molto comune è il tubo a raggi catodici, comunemente usato in televisori, monitor e altre tecnologie di visualizzazione. Il tubo a raggi catodici spinge gli elettroni lungo il tubo finché non colpiscono un bersaglio solido all’estremità del tubo fatto di materiali luminescenti chiamati fosfori, che di solito sono composti di solfuro di metallo. Ciò fa sì che parte dell’energia degli elettroni venga rilasciata come emissione di energia elettromagnetica nelle lunghezze d’onda che l’occhio umano rileva come luce visibile. Le macchine a raggi X utilizzate in medicina e ricerca biologica seguono un principio simile, sparando flussi di elettroni in rame, molibdeno o tungsteno per produrre emissioni di raggi X che possono essere utilizzate per l’imaging o, con dispositivi più potenti, per la radioterapia.
Gli acceleratori lineari di particelle sono utilizzati anche nella ricerca scientifica. I piccoli dispositivi sono spesso utilizzati per l’imaging nella ricerca biologica e archeologica. Gli acceleratori lineari utilizzati per la ricerca variano notevolmente nelle dimensioni e possono raggiungere dimensioni davvero colossali a causa dei livelli energetici estremamente elevati necessari per produrre alcuni dei fenomeni studiati nella fisica moderna. Il più grande acceleratore lineare di particelle sulla Terra, situato presso il National Accelerator Laboratory dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) a Menlo Park, in California, è lungo due miglia.
Sono utilizzati anche in alcuni processi industriali. Alcuni chip di silicio utilizzati nell’elettronica moderna sono fabbricati in un processo che incorpora acceleratori che spingono interi atomi carichi invece di particelle subatomiche, consentendo un posizionamento molto preciso degli atomi durante la produzione. Gli acceleratori possono essere utilizzati anche per impiantare ioni nella superficie di materiali come l’acciaio, alterando la struttura del materiale per renderlo più resistente alle crepe e alla corrosione chimica.
Il termine “acceleratore lineare” viene talvolta utilizzato anche per dispositivi che spingono oggetti più grandi in modo simile, utilizzando l’elettromagnetismo per accelerare un proiettile lungo un percorso rettilineo. Questi funzionano eseguendo l’elettricità attraverso una bobina metallica avvolta attorno alla canna del dispositivo, un design chiamato coilgun, mass driver o pistola Gauss, o attraverso una coppia di binari metallici posizionati parallelamente l’uno all’altro, chiamato railgun. Un oggetto fatto di un materiale ferromagnetico, come il ferro, può essere accelerato lungo la canna del dispositivo con i campi magnetici prodotti da correnti elettriche opportunamente temporizzate. I fucili a bobina sono stati proposti come un possibile modo per lanciare carichi dalla superficie terrestre nello spazio esterno, e sia i fucili a bobina che i cannoni a rotaia sono oggetto di ricerca come possibili armi.