Aceleradores de partículas

Abstract

En los ACELERADORES DE PARTICULAS podemos detallar un gran avance tecnológico ya que hoy en día nos encontramos ante un mundo lleno de innovaciones en el campo del experimento de los campos magnéticos, estar al día en nuestra sociedad exige estar acorde con este ámbito de aquí la necesidad de implementar una de las herramientas que a largo de nuestro desarrollo ha venido evolucionando en el mudo. La investigación que hemos realizado está encaminada a proporcionarnos información suficiente y necesaria para poder ingresar en el uso de beneficio de la tecnología en el mundo actual.

PALABRAS CLAVE: Aceleradores (energías bajas, altas, lineales y circulares), Ecuaciones de Lorentz

Introducción

Los aceleradores de particulares es un dispositivo utilizado en el campo eléctrico comúnmente como campos electromagnéticos para impulsar partículas cargadas a altas velocidades

En el desarrollo de los aceleradores de partículas hay dos tipos básicos: lineales y circulares En este artículo se describirán los tipos más comunes de aceleradores de partículas.

Característica de los aceleradores de partículas.

Un acelerador de partícula consiste esencialmente en un gran anillo hueco en que se intercalan grandes fuentes de energía electica y grandes imanes en los que se inyectan electrones, iones y protones. Estas partículas elementales se aceleran a velocidades de hasta el 99%de la velocidad de la luz y colisionan a las más altas energías que el hombre conoce. En estos choques se generan nuevas partículas subatómicas cuyo tiempo de vida es infinito, pero suficiente para poder ser estudiadas.

PROPIEDADES

Aceleradores de bajas energías. Son los tubos de rayos catódicos encontrados en televisones y generadores de rayos X. Estos aceleradores de baja energía usan un par de electrodos con un voltage de corriente directa de unos cientos de voltios en ellos. Un acelerador de partículas baja energía llamado implantador de iones es usado en la fabricación de circuitos integrados.

Aceleradores de altas energías. Líneas del haz de partículas que llevan desde el acelerador de Van de Graaf a varios experimentos, en la base del Campus Jussieu de París.

Acelerador lineal de partículas

Los aceleradores lineales de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximadamente a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

En los aceleradores de partículas antiguos se usaba un Generador Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven. A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversión de los campos eléctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas.

Es un tipo de acelerador en el cual las partículas son aceleradas a lo largo de una trayectoria rectilínea, lo que hace que el tiempo disponible para el aceleramiento y la energía lograda por las partículas se vean limitados por la longitud del aparato, a diferencia de los circulares, que permiten que las partículas viajen muchas veces a lo largo de una trayectoria circular.

SLAC o Stanford Linear Accelerator: Imagen tomada de: www.semgym.uni-tuebingen.de

El acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador que le proporciona a la partícula subatómica cargada pequeños incrementos de energía cuando pasa a través de una secuencia de campos eléctricos alternos.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona energía a la partícula en una sola etapa, el acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan energía a la partícula en pequeñas cantidades que se van sumando.

El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. El ingeniero noruego Rolf Wideröe construyó la primera máquina de esta clase, que aceleraba iones de potasio hasta una energía de 50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron potentes osciladores de radio frecuencia, necesarios para los radares de la época. Después se usaron para crear aceleradores lineales para protones que trabajaban a una frecuencia de 200 MHz, mientras que los aceleradores de electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de largo y aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV (800 millones).

El acelerador lineal de la universidad de Stanford es el más largo entre los aceleradores de electrones, mide 3.2 km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV (50 billones).

En la industria y en la medicina se usan pequeños aceleradores lineales, bien sea de protones o de electrones.

Aceleradores circulares

Existen dos variantes de aceleradores circulares: los ciclotrones (que constituyen el primer modelo de acelerador construido) y los más modernos sincrotrones, con los cuales se alcanzan energías del orden de los TeV (billones de electron-volts). Estas energías son inalcanzables por los aceleradores lineales y en general a los primeros aceleradores circulares.

En el primero, son utilizados, un campo magnético constante para acelerar las partículas, que hace que las partículas giren, y un campo eléctrico constante, que acelera a las partículas; en el sincrotón ambos campos se hacen variar para mantener el camino de las partículas de forma constante.

Entre los sincrotrones más grandes, está el Bevatron, actualmente en desuso, construido en 1950 en el Lawrence Berkeley National Laboratory (California, E.U.) y que fue utilizado para establecer la existencia del antiprotón.

El nombre de este acelerador de protones proviene de su energía, que está en la gama de 6.3 GeV (entonces llamado BeV por alcanzar el millón de electron-voltios; en esta máquina se crearon un gran número de elementos pesados, inexistentes en el mundo natural. El sincrotón del CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear, por sus siglas en francés) en Ginebra Suiza, que también tiene el colisionador mas grande del mundo.

El doble anillo del CERN en Ginebra (Suiza). El anillo exterior tiene un diámetro de 6 km. Imagen tomada de: www.semgym.uni-tuebingen.de

La radiación lograda por un sincrotrón puede emplearse en el análisis de estructuras biológicas de materiales, microelectrónica, en aplicaciones médicas como en la radioterapia y tomografía de emisión de positrones. Otras aplicaciones terapéuticas son las enfermedades oncológicas y neurodegenerativas y la investigación en diagnóstico mediante detectores de radiación.

Los aceleradores se utilizan para producir isótopos que luego pueden ser seguidos en su ruta por el interior del cuerpo humano, así como para el tratamiento de tumores mediante su irradiación.

En la química y la bioquímica se utilizan habitualmente aceleradores como generadores de rayos X, que a su vez se utilizan en técnicas de difracción para descubrir las configuraciones espaciales de proteínas, enzimas y rejillas cristalinas de materiales interesantes. Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula.

Métodos científicos

El gran colisionador de hadrones (LHC-Large Hadron Collider) es la respuesta del CERN a la búsqueda de los científicos de los misterios de la materia. Construido que albergo colisiondor de electrones-protones) es el mayor acelerador de partículas que existiría sobre la tierra. Su objetivo es hacer colisionar protones a tal velocidad que estos darán (11.245) vueltas al anillo en cada segundo.

Los chorros de protones inyectados en su interior viajaran durante diez horas diez billones de kilómetros hasta conseguir una energía similar a la que tendrán un coche a 1.600 Km/h. los choques entre estos haces de partículas generaran nuevas partículas unas ya conocidas y otra cuya existencia que no se conocemos, pero que han sido predichas por las teorías físicas.

Estaciones detectoras: los haces de partículas en el LHC chocan en dispositivos especiales, las unidades detectoras, donde las nuevas partículas generadas se hacen durante unos instantes a través de las trayectorias que describen de los cambios genéricos a los físicos en los campos magnéticos.

Cada haz de partícula consiste en unos 3000 sub-haces cada uno de los cuales contienen unos 100 billones de partículas. Pero estas son tan pequeñas que cuando los haces chocan no provocan más de 20 coliciones por cada 200billones de partículas.

Ciclotrón. Imagen de la patente de 1934 del ciclotrón, por Ernest Orlando Lawrence. "Método y aparato para la aceleración de iones".

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de "D".

Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por ejemplo el rodotrón1 ).

Para alcanzar energías superiores, del orden de los GeV y superiores, es necesario utilizar sincrotrones. y cronómetros.

Sincrotrón. Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos, pasando de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

• el desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas impensables,

• sistemas de vacío, que permitan mantener las partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del haz inadmisibles,

El Supercolisionador superconductor3 (SSC en inglés) era un proyecto de un sincrotrón de 87 km de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV. Se abortó el proyecto en 1993.

Energias de Vertigo. Los haces de partículas se aceleran wn una subcadena de anillos menores hasta que alcanzan la energía de 0,45 tera electron-voltios. De ahí pasan al gran acelerador del LHC, donde alcanzan energias hasta siete tera electron-voltios. Una tera de electron-voltios es aproximadamente la energía cinetica es un mosquito volando. Aunque aparezcan una energía pequeña lo extraordinario es que las partículas que concentran esa energias en el LHC tienen un volumen un billón de veces menor que el de un mosquito.

Formulas científicas

5.1 Ecuaciones de Lorentz

Véanse también: Ecuaciones de Maxwell y Fuerza de Lorentz.

Representación gráfica de la fuerza de Lorentz(solo la parte debida al campo magnético, representado con dirección perpendicular a la pantalla y sentido hacia fuera de la misma).

Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones (cuando se usan de forma separada) de Lorentz. La ecuación puede escribirse de forma básica como:

La ecuación se traduce en que la partícula recibe una aceleración que es proporcional a su carga  los campos eléctricos empujan a la partícula en la dirección del movimiento, mientras que los campos magnéticos curvan la trayectoria de la partícula empujándola hacia el centro de una circunferencia cuyo radio dependerá de la magnitud del campo magnético, de la velocidad que posea la partícula en ese momento y de su carga y masa.

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son (Vacío, Conducto del haz de partículas, Componentes generadores de fuerzas)

Dipolos eléctricos. Se aplica una diferencia de potencial, generando un campo eléctrico entre dos placas o tubos. Esto hace que la partícula se acelere, como entre dos fases de un linac.

Dipolos magnéticos. Se crea un campo magnético (generalmente de forma artificial mediante bobinas) perpendicular a la trayectoria de la partícula de forma que la curva. Por ejemplo entre las D de un ciclotrón, haciéndola describir un arco de 180 grados para volver a la separación entre ambas.

Multipolos magnéticos. Se utilizan para enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente y se eviten pérdidas en el trayecto

5.2 Fundamentos Físicos

Un acelerador lineal está constituido por un tubo muy largo dividido en porciones de longitud variable.

Las secciones alternas del tubo se conectan entre sí y se aplica una diferencia de potencial oscilante, entre los dos conjuntos. En la figura, el potencial de las porciones de tubo de color rojo es positivo y el de las de color azul es negativo. Vamos a demostrar que para que el ión esté en fase con el potencial oscilante, cuando pasa de una porción del tubo a la siguiente, las longitudes de las sucesivas porciones Ln deben cumplir la siguiente proporción

donde L1 es la longitud de la primera.

Primera etapa

Segunda etapa

Tercera etapa

Conclusiones

• Los campos eléctricos aportan cambios en el módulo de la velocidad de la partícula, acelerándola o desacelerándola

• Mientras que los campos magnéticos la hacen describir trayectorias curvas sin modificar su módulo (esto no es exactamente así, ya que las partículas perderán energía por la radiación sincrotrón, pero sirve como primera aproximación).

Referencias

Referencias Graficas de Papers:

[1]http://aula2.elmundo.es/aula/laminas/lamina1134988431.pdf

[2] www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagne/movimiento

Referencias de Papers:

[3]HAYT, WILLIAM H. & BUCK, JOHN A. "TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA". SÉPTIMA EDICIÓN. EDITORIAL McGrawHill. 2006.

[4]CHENG, DAVID K. "FUNDAMENTOS DE ELECTROMAGNETISMO PARA INGENIEROS". EDITORIAL ADDISON WESLEY. 1997.

Autor:

Alexis Pucha Guayllazaca.

Docente: Ing. Rene Ávila