Acelerador de partículas

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Acelerador.

Acelerador lineal Van de Graaff dos anos 1960s, de 2MeV. Aquí, aberto para mantemento.

Un acelerador de partículas é un dispositivo que emprega campos eléctricos para impeler partículas elementais cargadas electricamente a altas velocidades no seu interior, isto e, para comunicarlles altas enerxías cinéticas. Un aparello de TV de tubos catódicos é un exemplo dun acelerador básico. Existen dous tipos básicos de aceleradores: lineais e circulares.

Usos dos aceleradores de partículas

As emisións de partículas de alta enerxía son moi útiles para as ciencias fundamentais e as ciencias aplicadas. Para as preguntas máis básicas sobre a estrutura dinámica da materia, o espazo e o tempo, os físicos procuran as interaccións máis simples posíbeis, ás máis altas enerxías posíbeis. Normalmente estes 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 imposíbeis de obter, debido ao confinamento da cor, os experimentos máis simples engloban interaccións, primeiro de leptóns con outros, e en segundo 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 se poden considerar esencialmente como interaccións dobres de quarks e gluóns, do cal está composto. Deste 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 ocorrido nos primeiros intres do Big Bang (Gran estoupido). Estes 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, ademais de seren 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. Estes 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

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 amplificación de tensión. Esta peza do acelerador axudou no desenvolvemento da bomba atómica. Construído en 1937 por Philips, Eindhoven, agora reside no Museo Nacional de Ciencia, en Londres.

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

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

Os aceleradores de partículas máis grandes e potentes, como o RHIC, ou o LHC (o acelerador de partículas máis grande do mundo) 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

Acotío atopamos exemplos de aceleradores de partículas, nos circuítos 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 eléctrodos cunha tensión continua entre eles de varios miles de voltios.

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

Acelerador lineal de partículas

Artigo principal: Acelerador lineal de partículas.

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 SLAC National Accelerator Laboratory, 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 electróns empregan un klystron e un complexo sistema flexionador magnético que produce un feixe de 6-30 millóns de electrón-voltios (MeV) de enerxía. Os electróns pódense empregar directamente ou tamén pódense facer colidir contra un obxectivo para producir raios X. A eficiencia, flexibilidade e precisión da radiación producida permitiu substituír os antigos emisores de Cobalto-60 como ferramentas de tratamentos terapéuticos.

Aceleradores electrostáticos Tándem

Nun acelerador Tándem, os ións cargados negativamente gañan enerxía debido á atracción cara ao 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 repélense). É por isto que se chama "acelerador Tándem". O acelerador ten dúas fases de aceleración: primeiro as partículas son empurradas contra o centro xeométrico e despois repelidas polo mesmo. Un exemplo diste tipo de "linac's" é o ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research).

Aceleradores cíclicos ou circulares

No acelerador circular, as partículas móvense 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 continua, así a partícula pode ser acelerada indefinidamente. Outra vantaxe é que un acelerador circular é relativamente menor que un acelerador lineal de potencia comparábel (é dicir, un acelerador lineal debería ser extremadamente longo para ter a potencia dun acelerador circular).

Dependendo da enerxía e da partícula a ser acelerada, este abano de aceleradores teñen a desvantaxe de que as partículas emiten radiación sincrotrón. Cando unha partícula cargada é acelerada, emite radiación electromagnética e emisión secundaria. Como unha partícula se acelera sempre arredor do círculo, a radiación é sempre sobre a tanxente do mesmo. Esta radiación é chamada luz sincrotrón 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 enerxía, como a enerxía aumenta a velocidade da partícula, esta se aproxima á velocidade da luz como un límite 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 electrón-voltioss (eV). Un principio importante dos aceleradores circulares, e feixes de partículas en xeral, é que a curvatura da traxectoria da partícula é proporcional á carga de partículas e ao campo magnético, mais inversamente proporcional ao momento.

Ciclotróns

Os primeiros aceleradores circulares foran, inventados en 1929 por Ernest O. Lawrence na Universidade da Califórnia, Berkeley. Os Ciclotróns 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, cunha frecuencia chamada frecuencia ciclotrón, xa que a súa velocidade é moito máis pequena que a velocidade da luz (c).

Véxase tamén

Ligazóns externas

• What are particle accelerators used for?
• Stanley Humphries (1999) Principles of Charged Particle Acceleration
• Particle Accelerators around the world
• Wolfgang K. H. Panofsky: The Evolution of Particle Accelerators & Colliders, (PDF), Stanford, 1997
• P.J. Bryant, A Brief History and Review of Accelerators (PDF), CERN, 1994.
• Heilbron, J.L.; Robert W. Seidel (1989). University of California Press, ed. Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory. Berkeley. ISBN 0-520-06426-7. 
• David Kestenbaum, Massive Particle Accelerator Revving Up NPR's Morning Edition article on abril 9, 2007
• Hellborg, Ragnar, ed. Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications [N.Y., N.Y.: Springer, 2005]. [1]

Aceleradores Tándem

• ANTARES Tandem Accelerator
• The Tandem Electrostatic Accelerator at ORNL

Afeccionados

• Fred's World of Science
• RTFTechnologies.org Electrostatic Particle Accelerator