Acelerador de partículas

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Acelerador lineal Van de Graaff dos anos 1960s, de 2MeV. Aiquí, aberto para mantemento.

Un acelerador de partículas é un dispositivo que emprega campos eléctricos para impeler partículas elementais cargadas eléctricamente a altas velocidades no seu interior. Un aparello de TV de tubos catódicos é un exemplo duin básico acelerador. Existen dous tipos básicos de aceleradores: Lineais e circulares.

Usos dos aceleradores de partículas[editar | editar a fonte]

As emisións de partículas de alta enerxía son moi útiles para as ciencias fundamentais e as ciencias aplicadas. Para as preguntas máis básicas sobor da estrutura dinámica da materia, o espazo e o tempo, os físicos procuran as interaccións máis simples posíbeis, ás máis altas enerxías posíbeis. Normalmente istes experimentos precisan de dotar ás partículas de enerxías de moitos GeV, e as interaccións das partículas máis simples: leptóns (p. ex. electróns e positróns) e quarks para a materia; ou fotóns e gluóns para o estudo das teorías de campo cuántico.

Dado que os quarks illados son experimentalmente imposibel de obter debido ao confinamento da cor, os experimentos máis simples, engloban interaciións, primeiro de leptóns con outros, e en sgundo lugar de leptóns con nucleóns, que están compostos por quarks e gluóns. Para estudar as colisións de quarks, recórrese ás colisións entre nucleóns, que a altas enerxías pódense considerar esencialmente como interaccións dobres de quarks e gluóns, do cal está composto. Diste xeito, os físicos de partículas elementais, empregan máquinas para crear emisións de electróns, positróns e anti-protóns, interactuando con outras partículas coma estas, ou con outras de núcleos simples (hidróxeno ou deuterio) ás máis altas enerxías posíbeis (polo xeral, centos de GeV ou maiores).

Nun nivel máis alto de complexidade, os físicos nucleares e os cosmólogos, poden empregar emisións de núcleos atómicos "espidos", sen electróns, para investigar a estrutura, as interaccións e as propiedades dos seus núcleos, e de materia condensada a temperaturas e densidades extremadamente altas, como podería ter ocurrido nos primeiros intres do Big Bang (Gran estourido). Istes investigadores, ás veces inclúen colisións de núcleos pesados, como ferro ou ouro, a enerxías da orde duns cantos GeV por núcleo. A baixas enerxías, as emisións de núcleos acelerados, empréganse en medicina (p. ex. para tratamentos contra o cancro).

Os electróns de alta enerxía, amáis de seres fundamentalmente interesantes, poden ser excitados para unha emisión extremadamente brillante, e emisións controladas de fotóns de alta enerxía (radiación ultravioleta e radiación X), mediante a radiación de sincrotróns. Istes fotóns posúen numerosos usos no estudo da estrutura atómica, a química, propiedades físicas da materia condensada, bioloxía, etc.

Diste xeito, existe unha demanda relativamente elevada de aceleradores de enerxía moderada (GeV) e alta intensidade.

Máquinas de alta enerxía[editar | editar a fonte]

Liñas de emisión na cabeceira dun acelerador Van de Graaf para varios experimentos, nos sotos do Jussieu Campus en París

Os aceleradores lineais de alta enerxía, empregan un conxunto de placas (ou tubos desviados) nos que se alternan o campo de alta enerxía aplicado. Como as partículas se achegan ás placas, estas son aceleradas cara a elas, aplicando unha carga polarizada inversamente.As partículas pasan a través dun burato na placa, entón a polaridade muda, polo que agora a placa, en troques de atraer á partícula, a repele, sendo acelerada así cara a seguinte placa. Polo xeral, as aceleracións efectúanse con feixes de partículas, para o que se emprega unha corrente alterna controlada aplicada a cada placa, para repetir o proceso continuamente con cada feixe.

Nos primeiros aceleradores de partículas, un xerador Cockcroft-Walton era o responsable da amplificacción de tensión. Ista peza do acelerador axudou no desenvolvenmento de bomba atómica. Construído en 1937 por Philips, Eindhoven, agora reside no Museo Nacional de Ciencia, en Londres (UK)

As partículas aproxímanse á velocidade da luz nas conmutacións dos campos eléctricos. Estes operan a frecuencias de microondas. Isto permite empregar resonadores de cavidades por RF (radiofrecuencia) en máquinas de alta enerxía, en troques de placas simples.

Os aceleradores de tipo DC (corrente contínua) proporcionan ás partículas aceleradas a velocidade suficiente como para provocar reaccións nucleares, poden ser os xeradores Cockcroft-Walton, ou os multiplicadores de tensión, que convirten a corrente alterna en corrente contínua, así como os xeradores Van de Graaff, empregados para xerar electricidade estática mediante o rozamento de cinturóns.

Os aceleradores de partículas máis grandes e potentes, como o RHIC, ou o LHC (o acelerador de partículas máis grande do mundo, (e a máquina máis grande do mundo), que ten a súa entrada en funcionamento prevista para o 2008) e o Tevatron, son empregados para a experimentación das propiedades físicas de partículas. Os aceleradores poden producir tamén emisións de protóns, o que produce protóns "pesados" para fins médicos, ou a investigación de produción de isótopos, efecto contrario que o producido nos reactores nucleares de fisión, onde se producen neutróns "pesados". Un exemplo desta xeira de aceleradores, é LANCE, en Los Alamos.

Máquinas de baixa enerxía[editar | editar a fonte]

Acotío atopamos exemplos de aceleradores de partículas, nos circuitos dos televisores e nos xeradores de raios X dos hospitais. Estes aceleradores de baixa enerxía como o tubo de raios catódicos empregan unha parella de electrodos cunha tensión contínua entre eles de varios miles de voltios.

Outro acelerador de baixa enerxía, chamado implantador de ións, emprégase na manufactura de circuitos integrados

Acelerador lineal de partículas[editar | editar a fonte]

Nun acelerador lineal ("Linacs"), as partículas se aceleran en liña recta contra un obxectivo ao final do percorrido. Os aceleradores lineais empréganse de xeito estendido. Exemplo deste tipo de aceleradores son todos os tubos de raios catódicos. Empréganse tamén para fornecer dun impulso inicial de enerxía ás partículas antes de seren inxectadas a un acelerador circular. O acelerador lineal máis longo do mundo está no Stanford Linear Accelerator, de 3 km de lonxitude. o SLAC é un colisionador de electrón-positrón.

O acelerador de partículas Koffler, agora en desuso no Weitzmann Institute, unha das institucións israelís con máis resultados científicos.

Os aceleradores lineais tamén se empregan moito en medicina, para radioterapia e radiocirurxía. Os aceleradores para medicina. Este abano de aceleradores de electrónis empregan un klystron e un complexo sistema flexionador magnético que produce un feixe de 6-30 millóns de electron-voltios (MeV) de enerxía. os electróns se poden empregar directamente ou tamén se poden colisionar contra un obxectivo para producir raios X. A eficiencia, flexibilidade e precisión da radiación producida permitiu substituir aos antigos emisores de Cobalto-60 como ferramentas de tratamentos terapéuticos.

Aceleradores electrostáticos Tandem[editar | editar a fonte]

Nun acelerador Tandem, os ións cargados negativamente gañan eneerxía debido á atracción cara o centro xeométrico de presión dun vaso, cargado positivamente cunha tensión positiva moi alta. Cando chega ao centro da rexión coñecida como "terminal de moi alta tensión", algúns electróns son separados do ión. Cando isto sucede, o ión tórnase positivo e é repelido pola carga positiva (cargas do mesmo signo se repelen). É por esto que se chama "acelerador Tándem". O acelerador ten dúas fases de aceleración: primeiro as partículas son empurradas contra o centro xeométrico e despoís repelidas polo mesmo. Un exemplo diste tipo de "linac's" é o ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research).

Aceleradores cíclicos ou circulares[editar | editar a fonte]

No acelerador circular, as partículas se moven nun círculo até atinxir a enerxía suficiente. A faixa de partículas é normalmente dobrada nun círculo, empregando eletroímáns. A vantaxe dos aceleradores circulares sobre aceleradores lineais (linacs) é que a topoloxía de anel permite aceleración contínua, así a partícula pode ser acelerada indefinidamente. Outra vantaxe é que un acelerador circular é relativamente menor que un acelerador lineal de potencia comparabel (é dicir, un acelerador lineal debería ser extremamente longo para ter a potencia de un acelerador circular).

Dependendo da enerxia e da partícula a ser acelerada, este abano de aceleradores teñen a desvantaxe de que as partículas emiten radiación síncrotrón. Cando unha partícula cargada é acelerada, emite radiación eletromagnética e emisión secundária. Como unha partícula se acelera sempre ao arredor do círculo, a radiación é sempre sobre e tanxente do mesmo. Esta radiación é chamada luz síncrotron e depende moito da masa da partícula acelerada. É por isto que moitos aceleradores de electróns de alta enerxía son (linacs).

A teoría da relatividade especial, esixe que a materia sempre viaxa mais lentamente que a velocidade da luz no baleiro. En aceleradores de alta enerxia, como a enerxia aumenta a velocidade da partícula, esta se aproxima á velocidade da luz como um limite, que nunca se conseguiu obter. É por isto que os físicos non adoitan falar de velocidade e si en termos de enerxía da partícula ou do impulso, normalmente medido en electron-voltioss (eV). Un principio importante dos aceleradores circulares, e feixes de partículas en xeral, é que a curvatura da traxectória da partícula é proporcional á carga de partículas e ao campo magnético, mais inversamente proporcional ao momento.

Ciclotrons[editar | editar a fonte]

Os primeiros aceleradores circulares foran, inventados en 1929 por Ernest O. Lawrence na Universidade da Califórnia, Berkeley. Os Ciclotrons teñen un único par de ocos "D" en forma de placas para acelerar as partículas e un único grande imán dipolo para variar o seu camiño nunha órbita circular.

É unha propiedade característica das partículas cargadas nun campo B uniforme e constante magnética, que orbiten cun período constante, com unha frecuencia chamada frecuencia ciclotron, xa que a súa velocidad é moito mais pequena que a velocidade da luz (c).

Notas[editar | editar a fonte]

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]

Aceleradores Tándem
Afeccionados