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Acelerador de partículas

Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades, y así, hacerlas colisionar con otras partículas.[1]​ De esta manera, se generan una multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, esto permite estudiar más a fondo las partículas que fueron desintegradas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.[2]

Acelerador lineal de Generador de Gutenberg de una sola etapa de 2 MeV.

Los aceleradores de partículas se asemejan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas e inestables. Sin embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar estas partículas generadas, y su proceso de desintegración.

Ese estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, etcétera.

Aceleradores de altas energías

Aceleradores lineales

 
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.

Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno.[3]​ Cuando las partículas se aproximan 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 más antiguos se usaba un Generador de 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, se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

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, y por eso, en muy altas energías, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partículas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje, o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estática transportada mediante cintas.

Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las partículas en los aceleradores circulares. El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.

Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la Espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.

Aceleradores circulares

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. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

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. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiación, a veces llamada luz sincrotrón. Esta radiación se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energía, principalmente en estudios de materiales o de proteínas por espectroscopia de rayos X o por absorción de rayos X por la estructura fina (o espectrometría XAS).

Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se utilizan partículas muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretenden generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías. Este es el caso del gran acelerador circular del CERN donde el LEP, colisionador de electrones y positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de hadrones.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes, como el RHIC, el LHC o el Tevatrón se utilizan en experimentos de física 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.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los sincrotrones debido a los efectos. Aun así las velocidades que se alcanzan son bastante altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades de velocidad. 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 rodotrón[4]​).

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico (como por ejemplo la producción de 18F para su uso en los PET), para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación. También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados espectrómetros de masas.

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

 
Imagen aérea del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores más grandes del mundo.

Sincrotrón

 
Túnel del antiguo LEP del CERN donde se encuentra en este momento el LHC, el mayor colisionador de hadrones del mundo.

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.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:

  • 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,
  • superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las partículas en las distintas configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los análisis científicos de los grandes aceleradores como el LHC.

Al igual que en otras áreas de la tecnología de punta, existen múltiples desarrollos que se realizaron para su aplicación en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de las personas. Quizá el más conocido fue el desarrollo de la World Wide Web (comúnmente llamada web), desarrollado para su aplicación en el LEP.

La única forma de elevar la energía de las partículas con estos aceleradores es incrementar su tamaño. Generalmente se toma como referencia la longitud del perímetro de la circunferencia (realmente no forman una circunferencia perfecta, sino un polígono lo más aproximado posible a esta). Por ejemplo tendríamos el LEP con 26,6 km, capaz de alcanzar los 45 GeV (91 GeV para una colisión de dos haces en sentidos opuestos), actualmente reconvertido en el LHC del que se prevén energías superiores a los 7 TeV.

Aceleradores de mayores energías

Existen varios proyectos para superar las energías que alcanzan los nuevos aceleradores. Estos aceleradores se espera que sirvan para confirmar teorías como la Teoría de la gran unificación e incluso para la creación de agujeros negros que confirmarían la teoría de supercuerdas.

Para 2015-2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional,[5]​ un enorme linac de 31 km de longitud, inicialmente de 500 GeV que se ampliarían hasta 1 TeV. Este acelerador utilizará un láser enfocado en un fotocátodo para la generación de electrones. En 2007 no se había decidido aún qué nación lo albergaría.

El Supercolisionador superconductor[6]​ (SSC en su acrónimo inglés) fue un proyecto para la construcción de un sincrotrón de 87 km de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV. En 1993 el proyecto se canceló después de haber construido 23,5 km del túnel debido a su altísimo coste motivado por la gran desviación sobre el presupuesto previsto. En 2006 las propiedades e instalaciones fueron vendidas a un grupo de inversión, estando el sitio en la actualidad en estado de abandono.

Se cree que la aceleración de plasmas mediante láseres conseguirán un incremento espectacular en las eficiencias que se alcancen.[7]​ Estas técnicas han alcanzado ya aceleraciones de 200 GeV por metro, si bien en distancias de algunos centímetros, en comparación con los 0,1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias.

Fundamentos físicos

Generación de partículas

Las partículas cargadas (las únicas que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes en los aceleradores) se generan de diversas formas. La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Esto se hace habitualmente calentando un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por el una corriente eléctrica, aunque también se puede hacer enfocando un láser en él. Al aumentar la temperatura también aumenta la probabilidad de que un electrón de la corteza atómica la abandone momentáneamente. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón (cargado negativamente) regresaría al poco tiempo al átomo ionizado (positivamente) al atraerse las cargas opuestas. Sin embargo, si colocamos cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón.

Si en esa placa efectuamos un pequeño agujero, y tras él un conducto al que se le haya extraído el aire, conseguiremos extraer electrones. Sin embargo, si no existe ese agujero el electrón impactará contra la placa generando rayos X.

Cuando se pretenden generar protones, sin embargo, es necesario ionizar átomos de hidrógeno (compuestos únicamente por 1 protón y 1 electrón). Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidrógeno. Si en esa válvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendrán por un lado electrones acelerados y por el opuesto, protones acelerados. Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE o si en el Laboratorio Nacional Los Álamos (Estados Unidos).

Los positrones se generan de forma similar, solo que necesitaremos hacer incidir fotones de energías superiores a los 1,1 MeV sobre un blanco (de oro, Wolframio o cualquier otro material pesado). Esa energía es la mínima necesaria para crear un par electrón-positrón. La eficiencia de esta generación es muy pequeña, con lo que en los colisionadores electrón-positrón se gasta gran parte de la energía consumida en este proceso.

Actualmente existe también interés en generar neutrones para utilizarlos en máquinas transmutadoras. Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito, que impactan sobre blancos cuya sección eficaz o probabilidad de generación de neutrones sea alta. Al no poder acelerar más los neutrones (como se dijo, solo las partículas cargadas pueden acelerarse), su velocidad (o energía) final dependerá exclusivamente de la energía inicial del protón.

Prácticamente todas las partículas descritas se utilizan para tratamientos médicos, ya sea en diagnóstico (rayos X, TAC, PET), como en el tratamiento de tumores sólidos (el uso de protones y neutrones se está generalizando cada vez más para el tratamiento de tumores de difícil tratamiento).

Ecuaciones 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:

 

donde   es la fuerza que sufre la partícula cargada dentro del campo electromagnético, q es la carga de la partícula cargada (-1 para el electrón, +1 para el positrón o el protón, y mayores para núcleos pesados),   es el valor del campo eléctrico,   el campo magnético y   la velocidad de la partícula.

La ecuación se traduce en que la partícula recibe una aceleración que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa. Además, los campos eléctricos empujan a la partícula en la dirección del movimiento (el sentido dependerá del signo de la carga y del sentido del propio campo eléctrico), mientras que los campos magnéticos curvan la trayectoria de la partícula (solo cuando el campo magnético es perpendicular a la trayectoria), 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.

En resumen, 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).

Componentes de un acelerador

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son:

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. También para curvar ligeramente (arcos pequeños) el haz de partículas en un sincrotrón.
  • 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.

Blancos

Para crear las partículas generadas en los grandes aceleradores se necesitan blancos, donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias.

Los blancos se pueden distinguir entre fijos o móviles. En los fijos se engloban todos aquellos que hacen impactar las partículas aceleradas contra un blanco inmóvil, como los aparatos de rayos X o los utilizados en la espalación. En los móviles se encuentran aquellos que hacen impactar las propias partículas entre ellas, por ejemplo en los colisionadores, duplicando de este modo de forma sencilla la energía que pueden alcanzar los aceleradores.

Detectores

Para ver las partículas generadas en el impacto contra el blanco son necesarios los detectores, que actuarían como los ojos de los científicos.

Dos de los detectores más conocidos construidos para detectar las partículas creadas en las colisiones son: CMS y ATLAS, instalados en el LHC.

Una versión sencilla del conjunto acelerador-blanco-detector sería el aparato de televisión. En este caso el tubo de rayos catódicos es el acelerador, que impulsa los electrones hacia la pantalla revestida de fósforo interiormente que actuaría de blanco, transformando los electrones en fotones (con energía en el rango del visible) que, si estuviéramos mirando la televisión, impactarían en los conos y bastoncillos de nuestras retinas (detectores), enviando señales eléctricas a nuestro cerebro (el supercomputador) que interpreta los resultados.

Véase también

Referencias

  1. Antón, Juan Luis; Andrés, Dulce Mª; Barrio, Javier (2009-05). Física 2º Bachillerato. Editex. ISBN 9788497715898. Consultado el 6 de enero de 2018. 
  2. Fernández-Vidal, Sonia (1 de julio de 2016). La puerta de los tres cerrojos. Editorial Oceano. ISBN 9786077359869. Consultado el 6 de enero de 2018. 
  3. Sears, Francis Weston; Ford, A. Lewis; Freedman, Roger A. (2005). Física universitaria. Pearson Educación. ISBN 9789702606727. Consultado el 6 de enero de 2018. 
  4. . Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2008. Consultado el 30 de mayo de 2007. 
  5. . Archivado desde el original el 2 de octubre de 2006. Consultado el 30 de mayo de 2007. 

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Acelerador de partículas.
  • (en inglés)
  • RTFTechnologies.org Construcción amateur de un acelerador de partículas electrostático (en inglés)
  • Particle accelerator
  •   Datos: Q130825
  •   Multimedia: Particle accelerators

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Un acelerador de particulas es un dispositivo que utiliza campos electromagneticos para acelerar particulas cargadas a altas velocidades y asi hacerlas colisionar con otras particulas 1 De esta manera se generan una multitud de nuevas particulas que generalmente son muy inestables y duran menos de un segundo esto permite estudiar mas a fondo las particulas que fueron desintegradas por medio de las que fueron generadas Hay dos tipos basicos de aceleradores de particulas los lineales y los circulares El tubo de rayos catodicos de un televisor es una forma simple de acelerador de particulas 2 Acelerador lineal de Generador de Gutenberg de una sola etapa de 2 MeV Los aceleradores de particulas se asemejan en cierta forma la accion de los rayos cosmicos sobre la atmosfera terrestre lo cual produce al azar una lluvia de particulas exoticas e inestables Sin embargo los aceleradores prestan un entorno mucho mas controlado para estudiar estas particulas generadas y su proceso de desintegracion Ese estudio de particulas tanto inestables como estables puede ser en un futuro util para el desarrollo de la medicina la exploracion espacial tecnologia electronica etcetera Vease tambien Lista de aceleradores en fisica de particulas Indice 1 Aceleradores de altas energias 1 1 Aceleradores lineales 1 2 Aceleradores circulares 2 Ciclotron 2 1 Sincrotron 3 Aceleradores de mayores energias 4 Fundamentos fisicos 4 1 Generacion de particulas 4 2 Ecuaciones de Lorentz 5 Componentes de un acelerador 5 1 Componentes generadores de fuerzas 5 2 Blancos 5 3 Detectores 6 Vease tambien 7 Referencias 8 Enlaces externosAceleradores de altas energias EditarAceleradores lineales Editar Articulo principal Acelerador lineal Lineas del haz de particulas que llevan desde el acelerador de Van de Graaf a varios experimentos en la base del Campus Jussieu de Paris Los aceleradores lineales muchas veces se usa el acronimo en ingles linac de altas energias utilizan un conjunto de placas o tubos situados en linea a los que se les aplica un campo electrico alterno 3 Cuando las particulas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya Justo cuando la traspasan a traves de un agujero practicado en la placa la polaridad se invierte de forma que en ese momento la placa repele la particula acelerandola por tanto hacia la siguiente placa Generalmente no se acelera una sola particula sino un continuo de haces de particulas 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 particulas mas antiguos se usaba un Generador de Cockcroft Walton para la multiplicacion del voltaje Esta pieza del acelerador ayudo al desarrollo de la bomba atomica Construido en 1937 por Philips de Eindhoven se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres Inglaterra A medida que las particulas se acercan a la velocidad de la luz la velocidad de inversion de los campos electricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas y por eso en muy altas energias se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las particulas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft Walton o los multiplicadores de potencial que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estatica transportada mediante cintas Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las particulas en los aceleradores circulares El acelerador lineal mas largo del mundo es el colisionador electron positron Stanford Linear Accelerator SLAC de 3 km de longitud Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugia Utilizan valvulas klistron y una determinada configuracion de campos magneticos produciendo haces de electrones de una energia de 6 a 30 millones de electronvoltios MeV En ciertas tecnicas se utilizan directamente esos electrones mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de numero atomico alto para producir haces de rayos X La seguridad y fiabilidad de estos aparatos esta haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia Dos aplicaciones tecnologicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la Espalacion para la generacion de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutacion de los isotopos radiactivos mas peligrosos generados en la fision Vease tambien Abandono de la energia nuclear Aceleradores circulares Editar Articulo principal Acelerador de particulas circular Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja anadida a los aceleradores lineales al usar campos magneticos en combinacion con los electricos pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios mas reducidos Ademas las particulas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teoricamente de forma indefinida Sin embargo poseen un limite a la energia que puede alcanzarse debido a la radiacion sincrotron que emiten las particulas cargadas al ser aceleradas La emision de esta radiacion supone una perdida de energia que es mayor cuanto mas grande es la aceleracion impartida a la particula Al obligar a la particula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la particula ya que la velocidad cambia su sentido y de este modo es inevitable que pierda energia hasta igualar la que se le suministra alcanzando una velocidad maxima Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiacion a veces llamada luz sincrotron Esta radiacion se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energia principalmente en estudios de materiales o de proteinas por espectroscopia de rayos X o por absorcion de rayos X por la estructura fina o espectrometria XAS Esta radiacion es mayor cuando las particulas son mas ligeras por lo que se utilizan particulas muy ligeras principalmente electrones cuando se pretenden generar grandes cantidades de esta radiacion pero generalmente se aceleran particulas pesadas protones o nucleos ionizados mas pesados que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energias Este es el caso del gran acelerador circular del CERN donde el LEP colisionador de electrones y positrones se ha sustituido por el LHC colisionador de hadrones Los aceleradores de particulas mas grandes y potentes como el RHIC el LHC o el Tevatron se utilizan en experimentos de fisica de particulas Ciclotron Editar Imagen de la patente de 1934 del ciclotron por Ernest Orlando Lawrence Metodo y aparato para la aceleracion de iones El primer ciclotron fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California En ellos las particulas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de D Cada par forma un dipolo magnetico y ademas se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes Esta combinacion provoca la aceleracion Estos aceleradores tienen un limite de velocidad bajo en comparacion con los sincrotrones debido a los efectos Aun asi las velocidades que se alcanzan son bastante altas llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz Por este motivo se suelen utilizar unidades de energia electronvoltios y sus submultiplos habitualmente en lugar de unidades de velocidad Por ejemplo para protones el limite se encuentra en unos 10 MeV Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energias Existen algunas mejoras tecnicas como el sincrociclotron o el ciclotron sincrono pero el problema no desaparece Algunas maquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias por ejemplo el rodotron 4 Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la produccion de radioisotopos de uso medico como por ejemplo la produccion de 18F para su uso en los PET para la esterilizacion de instrumental medico o de algunos alimentos para algunos tratamientos oncologicos y en la investigacion Tambien se usan para analisis quimicos formando parte de los llamados espectrometros de masas Para alcanzar energias superiores del orden de los GeV y superiores es necesario utilizar sincrotrones Imagen aerea del Fermilab Chicago uno de los aceleradores mas grandes del mundo Sincrotron Editar Articulo principal Sincrotron Tunel del antiguo LEP del CERN donde se encuentra en este momento el LHC el mayor colisionador de hadrones del mundo Uno de los primeros sincrotrones que aceleraba protones fue el Bevatron construido en el Laboratorio nacional Brookhaven Nueva York que comenzo a operar en 1952 alcanzando una energia de 3 GeV El sincrotron presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones Principalmente que son capaces de conseguir mayores energias en las particulas aceleradas Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagneticos mucho mas complejos pasando de los simples dipolos electricos y magneticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos sextupolos octupolos y mayores Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnologicas e industriales tales como y entre otras muchas el desarrollo de superconductores capaces de crear los campos electromagneticos necesarios sin la necesidad de elevar el consumo electrico hasta cotas impensables sistemas de vacio que permitan mantener las particulas en el conducto donde se mantienen las particulas sin perdidas del haz inadmisibles superordenadores capaces de calcular las trayectorias de las particulas en las distintas configuraciones simuladas y posteriormente asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los analisis cientificos de los grandes aceleradores como el LHC Al igual que en otras areas de la tecnologia de punta existen multiples desarrollos que se realizaron para su aplicacion en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de las personas Quiza el mas conocido fue el desarrollo de la World Wide Web comunmente llamada web desarrollado para su aplicacion en el LEP La unica forma de elevar la energia de las particulas con estos aceleradores es incrementar su tamano Generalmente se toma como referencia la longitud del perimetro de la circunferencia realmente no forman una circunferencia perfecta sino un poligono lo mas aproximado posible a esta Por ejemplo tendriamos el LEP con 26 6 km capaz de alcanzar los 45 GeV 91 GeV para una colision de dos haces en sentidos opuestos actualmente reconvertido en el LHC del que se preven energias superiores a los 7 TeV Aceleradores de mayores energias EditarExisten varios proyectos para superar las energias que alcanzan los nuevos aceleradores Estos aceleradores se espera que sirvan para confirmar teorias como la Teoria de la gran unificacion e incluso para la creacion de agujeros negros que confirmarian la teoria de supercuerdas Para 2015 2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional 5 un enorme linac de 31 km de longitud inicialmente de 500 GeV que se ampliarian hasta 1 TeV Este acelerador utilizara un laser enfocado en un fotocatodo para la generacion de electrones En 2007 no se habia decidido aun que nacion lo albergaria El Supercolisionador superconductor 6 SSC en su acronimo ingles fue un proyecto para la construccion de un sincrotron de 87 km de longitud en Texas que alcanzaria los 20 TeV En 1993 el proyecto se cancelo despues de haber construido 23 5 km del tunel debido a su altisimo coste motivado por la gran desviacion sobre el presupuesto previsto En 2006 las propiedades e instalaciones fueron vendidas a un grupo de inversion estando el sitio en la actualidad en estado de abandono Se cree que la aceleracion de plasmas mediante laseres conseguiran un incremento espectacular en las eficiencias que se alcancen 7 Estas tecnicas han alcanzado ya aceleraciones de 200 GeV por metro si bien en distancias de algunos centimetros en comparacion con los 0 1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias Fundamentos fisicos Editar Este articulo o seccion necesita referencias que aparezcan en una publicacion acreditada Este aviso fue puesto el 18 de junio de 2011 Generacion de particulas Editar Las particulas cargadas las unicas que pueden acelerar los campos electromagneticos presentes en los aceleradores se generan de diversas formas La forma mas sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material Esto se hace habitualmente calentando un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por el una corriente electrica aunque tambien se puede hacer enfocando un laser en el Al aumentar la temperatura tambien aumenta la probabilidad de que un electron de la corteza atomica la abandone momentaneamente Si no existe un campo electromagnetico cerca que lo acelere en direccion contraria este electron cargado negativamente regresaria al poco tiempo al atomo ionizado positivamente al atraerse las cargas opuestas Sin embargo si colocamos cerca del filamento una segunda placa creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella conseguiremos acelerar el electron Si en esa placa efectuamos un pequeno agujero y tras el un conducto al que se le haya extraido el aire conseguiremos extraer electrones Sin embargo si no existe ese agujero el electron impactara contra la placa generando rayos X Cuando se pretenden generar protones sin embargo es necesario ionizar atomos de hidrogeno compuestos unicamente por 1 proton y 1 electron Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una valvula rellena de gas hidrogeno Si en esa valvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendran por un lado electrones acelerados y por el opuesto protones acelerados Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE o si en el Laboratorio Nacional Los Alamos Estados Unidos Los positrones se generan de forma similar solo que necesitaremos hacer incidir fotones de energias superiores a los 1 1 MeV sobre un blanco de oro Wolframio o cualquier otro material pesado Esa energia es la minima necesaria para crear un par electron positron La eficiencia de esta generacion es muy pequena con lo que en los colisionadores electron positron se gasta gran parte de la energia consumida en este proceso Actualmente existe tambien interes en generar neutrones para utilizarlos en maquinas transmutadoras Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito que impactan sobre blancos cuya seccion eficaz o probabilidad de generacion de neutrones sea alta Al no poder acelerar mas los neutrones como se dijo solo las particulas cargadas pueden acelerarse su velocidad o energia final dependera exclusivamente de la energia inicial del proton Practicamente todas las particulas descritas se utilizan para tratamientos medicos ya sea en diagnostico rayos X TAC PET como en el tratamiento de tumores solidos el uso de protones y neutrones se esta generalizando cada vez mas para el tratamiento de tumores de dificil tratamiento Ecuaciones de Lorentz Editar Veanse tambien Ecuaciones de Maxwelly Fuerza de Lorentz Representacion grafica de la fuerza de Lorentz solo la parte debida al campo magnetico representado con direccion perpendicular a la pantalla y sentido hacia fuera de la misma Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones basicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell Sin embargo existe una ecuacion muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actuan en cada tipo de acelerador Esta es la ecuacion o ecuaciones cuando se usan de forma separada de Lorentz La ecuacion puede escribirse de forma basica como F q E v B displaystyle vec F q cdot vec E vec v times vec B donde F displaystyle vec F es la fuerza que sufre la particula cargada dentro del campo electromagnetico q es la carga de la particula cargada 1 para el electron 1 para el positron o el proton y mayores para nucleos pesados E displaystyle vec E es el valor del campo electrico B displaystyle vec B el campo magnetico y v displaystyle vec v la velocidad de la particula La ecuacion se traduce en que la particula recibe una aceleracion que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa Ademas los campos electricos empujan a la particula en la direccion del movimiento el sentido dependera del signo de la carga y del sentido del propio campo electrico mientras que los campos magneticos curvan la trayectoria de la particula solo cuando el campo magnetico es perpendicular a la trayectoria empujandola hacia el centro de una circunferencia cuyo radio dependera de la magnitud del campo magnetico de la velocidad que posea la particula en ese momento y de su carga y masa En resumen los campos electricos aportan cambios en el modulo de la velocidad de la particula acelerandola o desacelerandola mientras que los campos magneticos la hacen describir trayectorias curvas sin modificar su modulo esto no es exactamente asi ya que las particulas perderan energia por la radiacion sincrotron pero sirve como primera aproximacion Componentes de un acelerador Editar Este articulo o seccion necesita referencias que aparezcan en una publicacion acreditada Este aviso fue puesto el 18 de junio de 2011 Los aceleradores poseen unos cuantos componentes basicos que son Componentes generadores de fuerzas Editar Dipolos electricos Se aplica una diferencia de potencial generando un campo electrico E displaystyle vec E entre dos placas o tubos Esto hace que la particula se acelere como entre dos fases de un linac Dipolos magneticos Se crea un campo magnetico B displaystyle vec B generalmente de forma artificial mediante bobinas perpendicular a la trayectoria de la particula de forma que la curva Por ejemplo entre las D de un ciclotron haciendola describir un arco de 180 grados para volver a la separacion entre ambas Tambien para curvar ligeramente arcos pequenos el haz de particulas en un sincrotron Multipolos magneticos Se utilizan para enfocar los haces de particulas de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma mas eficiente y se eviten perdidas en el trayecto Blancos Editar Para crear las particulas generadas en los grandes aceleradores se necesitan blancos donde las particulas impactan generando una enorme cantidad de particulas secundarias Los blancos se pueden distinguir entre fijos o moviles En los fijos se engloban todos aquellos que hacen impactar las particulas aceleradas contra un blanco inmovil como los aparatos de rayos X o los utilizados en la espalacion En los moviles se encuentran aquellos que hacen impactar las propias particulas entre ellas por ejemplo en los colisionadores duplicando de este modo de forma sencilla la energia que pueden alcanzar los aceleradores Detectores Editar Articulo principal Detectores de particulas Para ver las particulas generadas en el impacto contra el blanco son necesarios los detectores que actuarian como los ojos de los cientificos Dos de los detectores mas conocidos construidos para detectar las particulas creadas en las colisiones son CMS y ATLAS instalados en el LHC Una version sencilla del conjunto acelerador blanco detector seria el aparato de television En este caso el tubo de rayos catodicos es el acelerador que impulsa los electrones hacia la pantalla revestida de fosforo interiormente que actuaria de blanco transformando los electrones en fotones con energia en el rango del visible que si estuvieramos mirando la television impactarian en los conos y bastoncillos de nuestras retinas detectores enviando senales electricas a nuestro cerebro el supercomputador que interpreta los resultados Vease tambien EditarAcelerador de particulas circular Acelerador lineal Betatron Bevatron Ciclotron Experimento ATLAS ATLAS Gran colisionador de hadrones LHC GSI Large Electron Positron collider LEP Organizacion Europea para la Investigacion Nuclear CERN Sincrociclotron Sincrotron Solenoide compacto de muones CMS Referencias Editar Anton Juan Luis Andres Dulce Mª Barrio Javier 2009 05 Fisica 2º Bachillerato Editex ISBN 9788497715898 Consultado el 6 de enero de 2018 Fernandez Vidal Sonia 1 de julio de 2016 La puerta de los tres cerrojos Editorial Oceano ISBN 9786077359869 Consultado el 6 de enero de 2018 Sears Francis Weston Ford A Lewis Freedman Roger A 2005 Fisica universitaria Pearson Educacion ISBN 9789702606727 Consultado el 6 de enero de 2018 Pagina web de Ion Med empresa espanola que utiliza un ciclotron de 4 fases para la aceleracion de electrones Pagina web del Colisionador lineal internacional Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2008 Consultado el 30 de mayo de 2007 Web del SSC Aceleracion de plasmas mediante laser Archivado desde el original el 2 de octubre de 2006 Consultado el 30 de mayo de 2007 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia sobre Acelerador de particulas Construccion amateur de aceleradores en ingles RTFTechnologies org Construccion amateur de un acelerador de particulas electrostatico en ingles Son utiles los aceleradores de particulas Particle accelerator Datos Q130825 Multimedia Particle acceleratorsObtenido de https es wikipedia org w index php title Acelerador de particulas amp oldid 136692754, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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