acelerador de partículas - Wikilingue - Encydia
Los aceleradores de partículas son equipamientos que suministran energía la feixes de partículas subatômicas eléctricamente cargadas. Todos los aceleradores de partículas posibilitan la concentración de alta energía en pequeño volumen y en posiciones arbitradas y controladas de forma precisa. Ejemplos comunes de aceleradores de partículas existen en las televisiones y generadores de rayos-X, en la producción de isótopos radioativos, en la radioterapia del cáncer, en la radiografía de alta potencia para uso industrial y en la polimerização de plásticoes.
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Partículas estudiadas
Además de las partículas más básicas, electrones, prótons y nêutrons , otras también pueden ser aceleradas. Por ejemplo: existe la posibilidad de acelerarse partículas compuestas; o sea, partículas alfa, que son constituidas por dos prótons y dos nêutrons.
Tipos de aceleradores
El acelerador de partículas es un instrumento esencialmente construido utilizando una fuente de partículas cargadas expuestas a campos eléctricos que las aceleran. Después de la aceleración pasan enseguida por un campo magnético que las desvía de sus trayectorias focalizando-las y controlando las direcciones(defletindo-las).
Todos los tipos de aceleradores independientemente de su grado de avance tecnológico obedecen a los mismos principios básicos. Debido a disposición geométrica de los campos eletromagnéticos responsables por la aceleración de las partículas, básicamente son clasificados en dos tipos: cíclicos y lineales.
Para que puedan ocurrir a la condiciones más próximas del ideal, existe la necesidad de generación de vácuo de excelente calidad en la región de tráfico, evitando así la dispersão de estas por las moléculas de gases que posiblemente estén en su trayectoria.
Tubos de Rayos Catódicos, TRC (más conocidos como CRT)
Un ejemplo simple de acelerador de partículas, con todas las características citadas arriba, son los tubos de rayos catódicos de aparatos de televisión. Estos dispositivos disponen, en una de sus extremidades, un cátodo donde los electrones ganan energía por el calentamiento, escapando de sus átomos y quedando “libres”.
Cada electrón posee una negativação individual. Al destacarse del cátodo calentado por el filamento (Efecto Édison) estas partículas quedan expuestas a un campo eléctrico establecido por la aplicación de diferencia de potencial entre aquel cátodo y el otro extremo, o ânodo en las proximidades de la pantalla (pantalla, en el portugués brasileño).
Una vez emitidos, los electrones son acelerados en dirección a un foco entre un elétrodo llamado reja de control y a un ânodo llamado de primero ânodo. La diferencia de potencial aplicada a la reja de control determina la corriente electrónica o flujo electrónico, más flujo, más brillo, menos flujo, menos brillo, o sea, controla el bombardeo de electrones en la pantalla.
La diferencia de potencial del primero ânodo en un tubo hipotético gira en torno a 250 V proporcionando así una primera aceleración en su dirección, sin embargo, no hay la captura de las partículas, pues están siendo atraídas en dirección a un potencial mayor. El alta tensión está presente en el segundo ânodo, esta gira en torno a + 12.000 V, que atrae los electrones aún más, sin embargo, estos pasan en alta velocidad y aún no son capturados debida geometría tubular del elétrodo.
Acelerados, los electrones que pasaron por el primero y según ânodos son ahora manipulados electrónicamente en un tercero ânodo, lo de ajuste de foco, es decir, aquel que “afina” o "ensancha" el diámetro del feixe tal cual una lente electrónica cuya tensión gira en torno a + 300 V.
Obsérvese que los ânodos son positivos, por lo tanto, en cada atracción los electrones ganan más energía y son más acelerados. Para facilitar el pasaje de la corriente electrónica y dificultar la captura de los electrones, los ânodos son cilíndricos.
Después de pasar por los tres primeros ânodos, los electrones aún son acelerados en dirección a un cuarto ânodo cuya diferencia de potencial es en torno a + 12.000 V también acelerándolos aún más.
Después de pasar por los ânodos, los electrones son entonces desviados de sus trayectorias por bobinas de deflexión horizontal y vertical(bobinas que generan campo magnético) cuya función es ejecutar el “barrido” para alcanzar a la pantalla, y al hacerlo, ocurre la luminescência(lo brillo o luminescência, que tiene color pre definido conforme el punto de la pantalla, ocurre debido a cambio de estado energético de los átomos de fósforo depositados bajo la pantalla).
Aceleradores lineales
Los aceleradores lineales hacen la partícula seguir una trayectoria recta donde la energía final obtenida es proporcional a la suma de las diferencias de potencial generadas a partir de los mecanismos de aceleración dispuestos al largo de la trayectoria.
Estos aceleradores son desarrollados de dos formas o sistemas.
- El primer sistema es lo que utiliza el montaje de componentes que generan un campo magnético longitudinal móvil suministrando así energía cinética para los electrones.
Este equipamiento es provenido de una cámara de aceleración compuesta de un tubo de vácuo cilíndrico, tipo cavidad ressonante, o guía de ondas que dirige el campo acelerador. Existe también un amplificador de potencia de varios megawatts que excita las cámaras aceleradoras sucesivas y seqüenciais que fuerzan el desplazamiento de un frente de onda progresiva en el guía de ondas, esta una vez sincronizada por los dispositivos aceleradores se desplaza cada vez con mayor velocidad hasta llegar al fin del tubo. Lo que asegura la sincronización es la velocidad de fase de la onda progresiva que acaba por igualarse a la velocidad de los electrones.
De todos los sistemas de aceleración de partículas, este es el más antiguo, sin embargo sólo fue posible su desarrollo integral a partir de meados de la Segunda Guerra Mundial, esta espera ocurrió porque la teoría avanzó más rápido que la práctica, y la tecnología necesitó desarrollarse para la producción del equipamiento. No existía en aquella época la técnica de conformação de ondas por el uso de la radiofrecuencia en guías de onda. Tan inmediatamente ocurrió el desarrollo de dispositivos para tal durante la guerra fue posible la producción de reacciones nucleares.
- El segundo sistema de aceleración lineal utiliza el método de ondas eletromagnéticas estacionarias, estas acaban por acelerar prótons.
Los prótons poseen masa en torno a dos mil veces a de los electrones, generando una barrera para su excitación a través de una guía por ondas progresivas que hayan velocidad de fase igual a su velocidad de avance. Los prótons cuya energía es de cuatro megavolts tienen cerca de diez por ciento de la velocidad de la luz, esta velocidad causa efectos relativísticos. Estos impossibilitam el uso de la técnica de guía de ondas de la misma forma que se usa para electrones. Luego los aceleradores de ondas estacionarias son usados solamente como inyectores de prótons para aceleradores cíclicos de gran energía que poseen dispositivos para detectar y corregir las distorções ocasionadas por los efectos relativísticos.
En el Brasil, el desarrollo de aceleradores lineales se debe al conocimiento y capacidad del Prof. Argus Moreira y su equipo que proyectó y construyó cuatro máquinas en el Centro Brasileño de Investigaciones Fisicas, en el Río de Janeiro. Aún en funcionamiento, algunos de esos aceleradores ayudan en la formación de fisicos, ingenieros y técnicos y el desarrollo de nuevas técnicas cientificas.
Aceleradores cíclicos
Además de los aceleradores lineales existen los aceleradores cíclicos. Estos son construidos para promover la trayectoria curvada de las partículas por la acción de los campos magnéticos en espiral o circular.
Este tipo de acelerador fuerza la partícula a pasar diversas veces por los sistemas de aceleración. La energía final de las partículas depende de la amplitud de la diferencia de potencial aplicada y del número de vueltas que estas dan en el dispositivo. Los tipos de aceleradores cíclicos más utilizados son el cíclotron y el síncrotron.
Cíclotron
El cíclotron posee dos electrodos con la forma de una D, estos son huecos y semicirculares. Su montaje es en una cámara de vácuo entre los polos de un eletromagneto. Los prótons, dêuterons (núcleo de un átomo de deutério , constituido por un próton y un nêutron) u otros íons de mayor masa comienzan a se locomover en el interior de los electrodos en forma de D . En este momento es inyectada una diferencia de potencial alternada de alta frecuencia y potencia en los electrodos cuya frecuencia es próxima a la de la circulación iônica, produciendo así saltos de aumento de velocidad cada vez que estos pasan de un electrodo para el otro subseqüente. Lo que ocurre con las partículas en este momento, es una trayectoria en forma hipóide o de semicírculos cuyos rayos son crecientes habiendo entonces una pérdida del foco del feixe. ES necesario entonces un sistema de "focalização" para forzar los íons en una trayectoria pre determinada, evitando así la pérdida iônica por espiralamento. Causando una re-polarização forzada a través de la variación radial negativa del campo magnético, habrá sobre la partícula una pequeña componente perpendicular al plan del movimiento de aceleración. Este efecto mantendrá la trayectoria de la partícula estable no permitiendo la pérdida de esta para fuera del acelerador. Esa componente de corrección es primordial, pues la trayectoria total de la partícula muchas veces llega la centenares de metros y, conforme el caso, miles.
La corrección de trayectoria por la focalização del feixe iônico sumado al efecto relativístico causa un aumento de masa en las partículas, pues es sabido que al aumentarse su energía acaba habiendo el surgimento de una diferencia entre la frecuencia de oscilación del potencial acelerador y la frecuencia de circulación de la partícula en un segmento de su trayectoria. Este efecto genera un error inflacionario, que aumenta cada vuelve, limitando así la energía máxima de la partícula.
Sincrocíclotron
Para resolver este problema del error exponencial, o inflacionario, es necesario variar la frecuencia aplicada a los electrodos en forma de D , así se puede alterar la focalização iônica a través de la variación de los campos magnéticos sobre las partículas. Para tal, fue desarrollado un equipamiento llamado sincrocíclotron cuya construcción fue posible porque existen órbitas estables donde la frecuencia de revolución es igual a la frecuencia de la diferencia de potencial aplicada a los electrodos.
En este sistema, cuando es disminuida la frecuencia de oscilación, las partículas tienen una afinidade a su órbita tendiendo entonces en permanecer en esta, pues absorben energía de los campos eléctricos de los electrodos. Al mantenerse la estabilidad de sincronismo, las partículas acaban ganando energía y tienden a moverse en órbitas cuyos rayos son crecientes hasta la órbita máxima permitida por el proyecto del eletromagneto. El sincrocíclotron prácticamente no tiene límites en el número de revoluciones necesarias para la obtención de una dada energía.
Síncrotrons
El desarrollo de los síncrotrons fue necesario para mejorar las soluciones de aceleración de partículas cuyas trayectorias son de rayos fijos. Estos, de la misma forma que los cíclotrons, aceleran las partículas eléctricamente y las confinam en campos magnéticos. La diferencia es que el síncrotron utiliza el principio de la estabilidad de fase, manteniendo de esta forma el sincronismo entre campo eléctrico aplicado y la frecuencia de revolución de la partícula.
El funcionamiento se da a través de un campo magnético que causa la deflexión de la partícula para una órbita circular, y cuya intensidad del campo es modulada de forma cíclica, manteniendo así órbitas cuyo rayo es bastante estable y constante, a pesar de la ganancia de energía y masa consecuentemente. Una vez que se usa el campo magnético para mantener la órbita en vez de acelerarla, las líneas de campo magnético sólo son necesarias en la región anular que es definida por la órbita. El campo es generado por un eletromagneto anular.
Los síncrotrons de prótons son los aceleradores de partículas que alcanzan la mayor energía llegando a 800 GeV, mientras el síncrotron de electrones alcanza a lo sumo 12 GeV. La velocidad del próton sólo llega prójima de la velocidad de la luz en el vácuo con una energía por encima de 1 GeV. El próton acelerado no pierde energía por radiação, o se pierde es muy poco. Los electrones adquieren una velocidad muy alta la energías relativamente bajas, y cuando defletidos por campos magnéticos irradiam energía eletromagnética prójima de la largura de onda de los rayos X. Esa energía irradiada necesita ser repuesta por el sistema acelerador.
Cámaras de vácuo anules
Existen otros equipamientos que son usados para acelerar partículas. Prácticamente consisten en un par de cámaras de vácuo en forma anular. El sistema es utilizado para almacenar feixes de partículas altamente energéticas y provocar colisiones frontales entre ellos. Las altas energías obtenidas a partir de estas colisiones permiten el estudio de las interacciones entre las partículas fundamentales de la materia y de la energía.
Los mayores equipamientos
Los mayores y más poderosos aceleradores, como el LHC, lanzado el día 10 de septiembre de 2008 y el Tevatron, son usados para física experimental en la investigación básica de las interacciones fundamentales.
