I quattro acceleratori del PSI

Come funziona l’accelerazione

I campi elettrici danno ripetutamente una spinta alle particelle cariche – in un acceleratore circolare a ogni giro, in un acceleratore lineare in molte sezioni una dopo l’altra.
I magneti guidano le particelle lungo la loro traiettoria o le mantengono su un cerchio.
Ogni volta che una particella carica viene deviata, emette luce: la luce di sincrotrone. Più la particella è veloce (energetica) e più forte è la deviazione, più la luce è dura (lunghezza d’onda corta) e brillante – fino ai raggi X.
I protoni irradiano molto meno degli elettroni con la stessa energia, perché sono circa 1836 volte più pesanti (l’irraggiamento diminuisce con la quarta potenza della massa). Per questo si usano gli elettroni come sorgenti di luce (SLS, SwissFEL) e i protoni per produrre altre particelle e per la terapia (HIPA, PROSCAN).

HIPA – acceleratore di protoni ad alta intensità

Protoni da 590 MeV

Tre stadi (Cockcroft-Walton, ciclotrone Iniettore 2, ciclotrone ad anello) portano i protoni al 79 % della velocità della luce, con fino a 2,4 mA (1,4 MW) – record mondiale per impianti a ciclotrone. Il fascio produce neutroni (SINQ), muoni (SμS) e pioni per la ricerca sui materiali e la fisica delle particelle.

Pioni e muoni: il fascio colpisce prima due ruote di grafite rotanti, il bersaglio M (5 mm) e il bersaglio E (40 mm). Lì si formano pioni che decadono in muoni. La sorgente di muoni SμS utilizza i muoni, tra l’altro per misure μSR (muoni come minuscole sonde di campo magnetico nei materiali). Negli anni ’80 i bersagli erano di berillio; non resistettero al fascio e dagli anni ’90 sono di grafite. È previsto HIMB (High-Intensity Muon Beams) con circa 100 volte più muoni.

Isotopi per la medicina: i protoni di HIPA servono anche direttamente a produrre isotopi radioattivi; già oggi presso la stazione di irraggiamento IP2 con una parte del fascio da 72 MeV. A questo scopo nasce TATTOOS («Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions»), un nuovo impianto che indirizza una parte del fascio da 590 MeV (circa 100 µA) su bersagli di tantalio. Costruzione e messa in servizio sono previste per il 2029–2032, insieme all’Università e all’Ospedale universitario di Zurigo. I primi prodotti saranno gli isotopi di terbio Tb-149, Tb-152 e Tb-155.

Tb-149: terapia alfa (distrugge le cellule tumorali a breve distanza)
Tb-152: imaging PET
Tb-155: imaging SPECT
Tb-161: terapia beta; già usato in studi all’Ospedale universitario di Basilea, ma prodotto con neutroni fuori dal PSI, non con HIPA

L’idea si chiama teranostica: lo stesso elemento prima per individuare il tumore, poi per irradiarlo in modo mirato dall’interno.

Luogo: PSI Ovest (coordinata esatta non trovata in OSM, punto approssimativo). Fonti: psi.ch – HIPA, psi.ch – Targets, Bersagli per mesoni (storia del berillio), psi.ch – TATTOOS, psi.ch – TATTOOS (IMPACT), psi.ch – Radiofarmacia (calendario), Sci. Rep. 2024 (isotopi Tb), Kiselev (HIMB)

PROSCAN / COMET – protonterapia

Protoni da 250 MeV

COMET è un ciclotrone superconduttore, in funzione dal 2007, solo per la medicina. Un degradatore in grafite regola l’energia tra 70 e 250 MeV, a seconda della profondità del tumore. Il trattamento avviene al Gantry 2, al Gantry 3 e alla stazione oculare OPTIS2.

Luogo: PSI Ovest, Centro di protonterapia (OSM «Proton Therapy (WPTA)»). Fonti: Kiselev 2021 (PSI), Cyclotrons 2007

SLS – Swiss Light Source

Elettroni da 2,7 GeV

Anello di accumulazione di 288 m di circonferenza. Dalla trasformazione in SLS 2.0 (spegnimento da ottobre 2023, circa 15 mesi) funziona a 2,7 GeV invece dei precedenti 2,4 GeV, con luce circa 100 volte più brillante. La luce nasce nei magneti curvanti (spettro ampio, ad es. superbend) e negli ondulatori: file di magneti che guidano gli elettroni a slalom producendo così luce molto brillante a lunghezze d’onda selezionate.

Esempi: cristallografia delle proteine alle linee di luce PXI, PXII e PXIII (struttura delle proteine, ad es. per farmaci). Tomografia a S-TOMCAT e I-TOMCAT (immagini 3D a raggi X fino a meno di un micrometro).

Fonti: psi.ch – Storage ring, Willmott 2024 – SLS 2.0, psi.ch – TOMCAT

SwissFEL – laser a elettroni liberi a raggi X

elettroni fino a ca. 6 GeV

Un acceleratore lineare lungo 740 m. Gli elettroni attraversano poi lunghi ondulatori (Aramis: 12 su 60 m) ed emettono lampi di raggi X coerenti, simili a un laser, che durano solo da 1 a 60 femtosecondi. Aramis (raggi X duri) funziona da 2,2 a 6,2 GeV (progetto: max. 5,8 GeV), Athos (raggi X molli) a circa 3 GeV.

Luogo: nel bosco di Würenlingen, adiacente all’area del PSI (sponda est dell’Aar, comune di Würenlingen). Fonti: psi.ch – SwissFEL, Paraliev 2022

Le sedi si trovano anche nella lista GPS della pagina PSI.