Debido al techo de alto voltaje impuesto por la descarga eléctrica, para acelerar las partículas a energías más altas, se utilizan técnicas que involucran campos dinámicos en lugar de campos estáticos. La aceleración electrodinámica puede surgir de cualquiera de dos mecanismos: inducción magnética no resonante o circuitos o cavidades resonantes excitados por campos de RF oscilantes. Los aceleradores electrodinámicos pueden ser lineales, con partículas que se aceleran en línea recta, o circulares, usando campos magnéticos para doblar partículas en una órbita aproximadamente circular.
Aceleradores de inducción magnéticaEditar
Los aceleradores de inducción magnética aceleran partículas por inducción de un campo magnético creciente, como si las partículas fueran el devanado secundario de un transformador. El campo magnético creciente crea un campo eléctrico circulante que se puede configurar para acelerar las partículas. Los aceleradores de inducción pueden ser lineales o circulares.
Aceleradores de inducción linealesEditar
Los aceleradores de inducción lineales utilizan ferrita cargados, no resonantes cavidades de inducción. Cada cavidad puede considerarse como dos grandes discos en forma de arandela conectados por un tubo cilíndrico exterior. Entre los discos hay un toroide de ferrita. Un pulso de voltaje aplicado entre los dos discos provoca un campo magnético en aumento que acopla inductivamente energía al haz de partículas cargadas.
El acelerador de inducción lineal fue inventado por Christofilos en la década de 1960. Los aceleradores de inducción lineal son capaces de acelerar corrientes de haz muy altas (> 1000 A) en un solo pulso corto. Se han utilizado para generar rayos X para radiografía flash (por ejemplo, DARHT en LANL), y se han considerado como inyectores de partículas para la fusión por confinamiento magnético y como impulsores de láseres de electrones libres.
BetatronsEdit
El Betatron es un acelerador de inducción magnética circular, inventado por Donald Kerst en 1940 para acelerar electrones. El concepto se origina en última instancia en el científico noruego-alemán Rolf Widerøe. Estas máquinas, como los sincrotrones, utilizan un imán de anillo en forma de rosquilla (ver más abajo) con un campo B cíclicamente creciente, pero aceleran las partículas por inducción del campo magnético creciente, como si fueran el devanado secundario de un transformador, debido a la cambiar el flujo magnético a través de la órbita.
Lograr un radio orbital constante mientras se suministra el campo eléctrico de aceleración adecuado requiere que el flujo magnético que une la órbita sea algo independiente del campo magnético en la órbita, doblando las partículas en una constante curva de radio. En la práctica, estas máquinas se han visto limitadas por las grandes pérdidas radiativas que sufren los electrones que se mueven casi a la velocidad de la luz en una órbita de radio relativamente pequeño.
Aceleradores linealesEditar
Radiofrecuencia superconductora moderna, componente acelerador lineal multicelda.
En un acelerador de partículas lineal (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un objetivo de interés en un extremo. A menudo se utilizan para proporcionar una patada inicial de baja energía a las partículas antes de que se inyecten en aceleradores circulares. El Linac más largo del mundo es el Acelerador Lineal de Stanford, SLAC, que tiene 3 km (1,9 millas) de largo. SLAC es un colisionador de electrones y positrones.
Los aceleradores lineales de alta energía utilizan una matriz lineal de placas (o tubos de deriva) a los que se aplica un campo alterno de alta energía. A medida que las partículas se acercan a una placa, se aceleran hacia ella mediante una carga de polaridad opuesta aplicada a la placa. Cuando pasan a través de un orificio en la placa, la polaridad se cambia de modo que la placa ahora los repele y ahora son acelerados por ella hacia la siguiente placa. Normalmente se acelera una corriente de «manojos» de partículas, por lo que se aplica un voltaje de CA cuidadosamente controlado a cada placa para repetir continuamente este proceso para cada grupo.
A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la tasa de conmutación de los campos eléctricos llega a ser tan alto que operan a frecuencias de radio, por lo que las cavidades de microondas se utilizan en máquinas de mayor energía en lugar de en placas simples.
Los aceleradores lineales también se utilizan ampliamente en medicina, radioterapia y radiocirugía. Los linacs de grado médico aceleran los electrones utilizando un klystron y una compleja disposición de imán de flexión que produce un haz de energía de 6-30 MeV. Los electrones pueden usarse directamente o pueden chocar con un objetivo para producir un haz de rayos X. La fiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido ha suplantado en gran medida el antiguo uso de la terapia con cobalto 60 como herramienta de tratamiento.
Aceleradores de RF circulares o cíclicosEditar
En el acelerador circular , las partículas se mueven en círculo hasta que alcanzan la energía suficiente.La pista de partículas se dobla típicamente en un círculo usando electroimanes. La ventaja de los aceleradores circulares sobre los aceleradores lineales (linacs) es que la topología del anillo permite una aceleración continua, ya que la partícula puede transitar indefinidamente. Otra ventaja es que un acelerador circular es más pequeño que un acelerador lineal de potencia comparable (es decir, un linac tendría que ser extremadamente largo para tener la potencia equivalente a un acelerador circular).
Dependiendo de la energía y la potencia al ser una partícula acelerada, los aceleradores circulares tienen la desventaja de que las partículas emiten radiación de sincrotrón. Cuando cualquier partícula cargada se acelera, emite radiación electromagnética y emisiones secundarias. Como una partícula que viaja en un círculo siempre acelera hacia el centro del círculo, irradia continuamente hacia la tangente del círculo. Esta radiación se llama luz de sincrotrón y depende en gran medida de la masa de la partícula en aceleración. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son linacs. Sin embargo, ciertos aceleradores (sincrotrones) están construidos especialmente para producir luz de sincrotrón (rayos X).
Dado que la teoría especial de la relatividad requiere que la materia siempre viaje más lento que la velocidad de la luz en el vacío, en alta aceleradores de energía, a medida que aumenta la energía, la velocidad de la partícula se acerca a la velocidad de la luz como límite, pero nunca la alcanza. Por lo tanto, los físicos de partículas generalmente no piensan en términos de velocidad, sino más bien en términos de la energía o el momento de una partícula, generalmente medido en electronvoltios (eV). Un principio importante para los aceleradores circulares y los haces de partículas en general es que la curvatura de la trayectoria de la partícula es proporcional a la carga de la partícula y al campo magnético, pero inversamente proporcional al momento (típicamente relativista).
CyclotronsEdit
El ciclotrón de Lawrence de 60 pulgadas, con polos magnéticos de 60 pulgadas (5 pies, 1,5 metros) de diámetro, en el Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California, Berkeley, en Agosto de 1939, el acelerador más poderoso del mundo en ese momento. Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan (derecha) lo utilizaron para descubrir plutonio, neptunio y muchos otros elementos e isótopos transuránicos, por los que recibieron el Premio Nobel de Química de 1951.
Los primeros aceleradores circulares operativos fueron los ciclotrones, inventados en 1929 por Ernest Lawrence en la Universidad de California, Berkeley. Los ciclotrones tienen un solo par de placas huecas en forma de «D» para acelerar las partículas y un solo imán dipolo grande para doblar su trayectoria en una órbita circular. Es una propiedad característica de las partículas cargadas en un campo magnético uniforme y constante B que orbitan con un período constante, a una frecuencia llamada frecuencia de ciclotrón, siempre que su velocidad sea pequeña en comparación con la velocidad de la luz c. Esto significa que la aceleración D «s de un ciclotrón puede ser impulsada a una frecuencia constante por una fuente de energía de aceleración de radiofrecuencia (RF), ya que el haz gira en espiral hacia afuera continuamente. Las partículas se inyectan en el centro del imán y se extraen en el borde exterior en su máxima energía.
Los ciclotrones alcanzan un límite de energía debido a los efectos relativistas mediante los cuales las partículas se vuelven más masivas de manera efectiva, por lo que su frecuencia de ciclotrón cae fuera de sincronización con la RF acelerada. Por lo tanto, los ciclotrones simples puede acelerar los protones solo a una energía de alrededor de 15 millones de electronvoltios (15 MeV, correspondiente a una velocidad de aproximadamente el 10% de c), porque los protones se desfasan con el campo eléctrico impulsor. Si se acelera más, el rayo continuará girar en espiral hacia afuera a un radio más grande, pero las partículas ya no ganarían suficiente velocidad para completar el círculo más grande en el paso de la aceleración de RF. Para adaptarse a los efectos relativistas, el campo magnético necesita aumentarse a radios más altos como se hace en ciclotrones isócronos. Un ejemplo de ciclotrón isócrono es el ciclotrón de anillo PSI en Suiza, que proporciona protones a la energía de 590 MeV, lo que corresponde aproximadamente al 80% de la velocidad de la luz. La ventaja de un ciclotrón de este tipo es la máxima corriente de protones extraídos que se puede alcanzar, que actualmente es de 2,2 mA. La energía y la corriente corresponden a una potencia de haz de 1,3 MW, que es la más alta de cualquier acelerador existente en la actualidad.
Sincrociclotrones y ciclotrones isócronosEditar
Un imán en el sincrociclotrón del centro de terapia de protones de Orsay
Un ciclotrón clásico se puede modificar para aumentar su límite de energía. El primer enfoque históricamente fue el sincrociclotrón, que acelera las partículas en racimos.Utiliza un campo magnético constante B {\ displaystyle B}, pero reduce la frecuencia del campo de aceleración para mantener el paso de las partículas a medida que avanzan en espiral, igualando su frecuencia de resonancia de ciclotrón dependiente de la masa. Este enfoque adolece de un haz promedio bajo intensidad debido al agrupamiento, y nuevamente a la necesidad de un imán enorme de gran radio y campo constante sobre la órbita más grande que demanda la alta energía.
El segundo enfoque al problema de la aceleración de partículas relativistas es el isócrono ciclotrón. En tal estructura, la frecuencia del campo de aceleración (y la frecuencia de resonancia del ciclotrón) se mantiene constante para todas las energías dando forma a los polos del imán para aumentar el campo magnético con el radio. Por lo tanto, todas las partículas se aceleran en intervalos de tiempo isócronos. Las partículas de mayor energía viajan una distancia más corta en cada órbita de lo que lo harían en un ciclotrón clásico, permaneciendo así en fase con el campo acelerado. La ventaja del ciclotrón isócrono es que puede entregar haces continuos de mayor intensidad promedio, lo que es útil para algunas aplicaciones. Las principales desventajas son el tamaño y el costo del imán grande necesario, y la dificultad para lograr los altos valores de campo magnético requeridos en el borde exterior de la estructura.
No se han construido sincronizadores desde que se creó el ciclotrón isócrono. desarrollado.
SynchrotronsEdit
Foto aérea del Tevatron en Fermilab, que se asemeja a un ocho. El acelerador principal es el anillo de arriba; el de abajo (aproximadamente la mitad del diámetro, a pesar de las apariencias) es para aceleración preliminar, enfriamiento y almacenamiento del haz, etc.
Para alcanzar energías aún más altas, con una masa relativista acercándose o superando la masa en reposo de las partículas (para protones, miles de millones de electronvoltios o GeV), es necesario utilizar un sincrotrón. Este es un acelerador en el que las partículas se aceleran en un anillo de radio constante. Una ventaja inmediata sobre los ciclotrones es que el campo magnético solo necesita estar presente en la región real de las órbitas de las partículas, que es mucho más estrecha que la del anillo. (El ciclotrón más grande construido en los EE. UU. Tenía un polo magnético de 4,7 m de diámetro, mientras que el diámetro de los sincrotrones como el LEP y el LHC es de casi 10 km. La apertura de los dos haces del LHC es de orden de un centímetro.) El LHC contiene 16 cavidades de RF, 1232 imanes dipolo superconductores para la dirección del haz y 24 cuadrupolos para el enfoque del haz. Incluso con este tamaño, el LHC está limitado por su capacidad para dirigir las partículas sin que se vayan a la deriva. Se teoriza que este límite ocurre a 14TeV.
Sin embargo, dado que el momento de la partícula aumenta durante la aceleración, es necesario aumentar el campo magnético B en proporción para mantener la curvatura constante de la órbita. En consecuencia, los sincrotrones no pueden acelerar las partículas de forma continua, como pueden hacerlo los ciclotrones, pero deben operar cíclicamente, suministrando partículas en racimos, que se envían a un objetivo o un rayo externo en «derrames» de rayos normalmente cada pocos segundos.
Dado que los sincrotrones de alta energía realizan la mayor parte de su trabajo en partículas que ya viajan a casi la velocidad de la luz c, el tiempo para completar una órbita del anillo es casi constante, al igual que la frecuencia de los resonadores de cavidad de RF utilizados para impulsar la aceleración. .
En los sincrotrones modernos, la apertura del haz es pequeña y el campo magnético no cubre toda el área de la órbita de la partícula como lo hace para un ciclotrón, por lo que se pueden separar varias funciones necesarias. En lugar de un imán enorme, uno tiene una línea de cientos de imanes de flexión que encierran (o encerrados por) tuberías de conexión al vacío. El diseño de sincrotrones se revolucionó a principios de la década de 1950 con el descubrimiento del concepto de enfoque fuerte. El enfoque del haz se maneja de forma independiente mediante imanes cuadrupolos especializados, mientras que la aceleración en sí se logra en secciones de RF separadas, bastante similar a los aceleradores lineales cortos. Además, no es necesario que las máquinas cíclicas sean circulares, sino que la tubería de la viga puede tener secciones rectas entre los imanes donde las vigas pueden colisionar, enfriarse, etc. Esto se ha convertido en un tema completamente separado, llamado «física de viga» o óptica «.
Sincrotrones modernos más complejos como el Tevatron, LEP y LHC pueden entregar los racimos de partículas en anillos de almacenamiento de imanes con un campo magnético constante, donde pueden continuar en órbita durante largos períodos de experimentación o mayor aceleración.Las máquinas de mayor energía como el Tevatron y el LHC son en realidad complejos de aceleradores, con una cascada de elementos especializados en serie, incluidos aceleradores lineales para la creación inicial del haz, uno o más sincrotrones de baja energía para alcanzar la energía intermedia, anillos de almacenamiento donde los haces pueden ser acumulado o «enfriado» (reduciendo la apertura del imán requerida y permitiendo un enfoque más estrecho; ver enfriamiento del haz), y un último anillo grande para la aceleración final y la experimentación.
Segmento de un sincrotrón de electrones en DESY
Sincrotrones de electronesEditar
Los aceleradores de electrones circulares cayeron un poco en desgracia para la física de partículas en la época en que se construyó el acelerador de partículas lineal de SLAC, porque sus pérdidas de sincrotrón se consideraban prohibitivas desde el punto de vista económico y porque la intensidad de su haz era menor que la de las máquinas lineales no pulsadas. . El maiz Ell Electron Synchrotron, construido a bajo costo a fines de la década de 1970, fue el primero de una serie de aceleradores de electrones circulares de alta energía construidos para la física de partículas fundamentales, siendo el último LEP, construido en el CERN, que se utilizó desde 1989 hasta 2000.
Se ha construido una gran cantidad de sincrotrones de electrones en las últimas dos décadas, como parte de fuentes de luz de sincrotrón que emiten luz ultravioleta y rayos X; ver más abajo.
Anillos de almacenamientoEditar
Para algunas aplicaciones, es útil almacenar haces de partículas de alta energía durante algún tiempo (con tecnología moderna de alto vacío, hasta muchas horas) sin más aceleración. Esto es especialmente cierto para los aceleradores de haz en colisión, en los que dos haces que se mueven en direcciones opuestas chocan entre sí, con una gran ganancia de energía de colisión efectiva. Debido a que ocurren relativamente pocas colisiones en cada paso a través del punto de intersección de los dos haces, es habitual acelerar primero los haces a la energía deseada y luego almacenarlos en anillos de almacenamiento, que son esencialmente anillos de imanes de sincrotrón, sin RF significativa. potencia para la aceleración.
Fuentes de radiación de sincrotrónEditar
Algunos aceleradores circulares se han construido para generar deliberadamente radiación (llamada luz de sincrotrón) como Los rayos X también se denominan radiación sincrotrón, por ejemplo, la fuente de luz de diamante que se ha construido en el laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra o la fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne en Illinois, EE. UU. Los rayos X de alta energía son útiles para la espectroscopia de rayos X de proteínas o la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS), por ejemplo.
La radiación de sincrotrón es emitida con más fuerza por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones. La radiación sincrotrón permite obtener mejores imágenes según lo investigado y desarrollado en SPEAR de SLAC.
Aceleradores de gradiente alterno de campo fijoEditar
Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo (FFA) s, en los que un campo magnético fijo en el tiempo, pero con una variación radial para lograr un enfoque fuerte, permite que el haz se acelere con una alta tasa de repetición pero en una mucho menor propagación radial que en el caso del ciclotrón. Los FFA isócronos, como los ciclotrones isócronos, logran un funcionamiento continuo del haz, pero sin la necesidad de un imán de flexión dipolar enorme que cubra todo el radio de las órbitas. En.
HistoryEdit
El primer ciclotrón de Ernest Lawrence tenía apenas 4 pulgadas (100 mm) de diámetro. Más tarde, en 1939, construyó una máquina con una cara de polo de 60 pulgadas de diámetro y planeó una con un diámetro de 184 pulgadas en 1942, que, sin embargo, fue asumida para trabajos relacionados con la Segunda Guerra Mundial relacionados con la separación de isótopos de uranio; después de la guerra continuó en servicio para la investigación y la medicina durante muchos años.
El primer sincrotrón de protones grande fue el Cosmotron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, que aceleró los protones a aproximadamente 3 GeV (1953-1968). El Bevatron en Berkeley, completado en 1954, fue diseñado específicamente para acelerar los protones a la energía suficiente para crear antiprotones y verificar la simetría de la naturaleza entre partículas y antipartículas, que entonces solo se teorizó. El Sincrotrón de gradiente alterno (AGS) en Brookhaven (1960–) fue el primer sincrotrón grande con gradiente alterno, imanes de «enfoque fuerte», que redujeron en gran medida la apertura requerida del haz y, en consecuencia, el tamaño y el costo de los imanes de flexión. El Proton Synchrotron, construido en el CERN (1959–), fue el primer gran acelerador de partículas europeo y, en general, similar al AGS.
El Acelerador Lineal de Stanford, SLAC, entró en funcionamiento en 1966, acelerando electrones a 30 GeV en una guía de ondas de 3 km de largo, enterrada en un túnel y alimentada por cientos de grandes klistrones. Sigue siendo el acelerador lineal más grande que existe y se ha mejorado con la adición de anillos de almacenamiento y una instalación de colisionador de electrones y positrones. También es una fuente de fotones de sincrotrón UV y de rayos X.
El Fermilab Tevatron tiene un anillo con una trayectoria de haz de 4 millas (6,4 km). Ha recibido varias mejoras y ha funcionado como colisionador de protones y antiprotones hasta que se cerró debido a recortes presupuestarios el 30 de septiembre de 2011. El acelerador circular más grande jamás construido fue el sincrotrón LEP en el CERN con una circunferencia de 26,6 kilómetros, que fue un colisionador de electrones / positrones. Alcanzó una energía de 209 GeV antes de ser desmantelado en 2000 para que el túnel pudiera usarse para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El LHC es un colisionador de protones, y actualmente es el acelerador más grande y de mayor energía del mundo, logrando 6.5 TeV de energía por haz (13 TeV en total).
El abortado Superconductor Super Collider (SSC) en Texas habría tenido una circunferencia de 87 km. La construcción se inició en 1991, pero se abandonó en 1993. Los aceleradores circulares muy grandes se construyen invariablemente en túneles de unos pocos metros de ancho para minimizar la interrupción y el costo de construir dicha estructura en la superficie, y para proporcionan protección contra las intensas radiaciones secundarias que se producen, que son extremadamente penetrantes a altas energías.