Devido ao teto de alta tensão imposto pela descarga elétrica, a fim de acelerar as partículas para energias mais altas, são utilizadas técnicas que envolvem campos dinâmicos em vez de campos estáticos. A aceleração eletrodinâmica pode surgir de um de dois mecanismos: indução magnética não ressonante ou circuitos ressonantes ou cavidades excitadas por campos de RF oscilantes. Os aceleradores eletrodinâmicos podem ser lineares, com partículas acelerando em linha reta, ou circulares, usando campos magnéticos para dobrar partículas em uma órbita aproximadamente circular.
Aceleradores de indução magnéticaEdit
Aceleradores de indução magnética aceleram partículas por indução de um campo magnético crescente, como se as partículas fossem o enrolamento secundário de um transformador. O aumento do campo magnético cria um campo elétrico circulante que pode ser configurado para acelerar as partículas. Os aceleradores de indução podem ser lineares ou circulares.
Aceleradores de indução linear Editar
Os aceleradores de indução linear utilizam ferrite não ressonante cavidades de indução. Cada cavidade pode ser considerada como dois grandes discos em forma de arruela conectados por um tubo cilíndrico externo. Entre os discos está um toróide de ferrite. Um pulso de tensão aplicado entre os dois discos causa um campo magnético crescente que acopla indutivamente a energia ao feixe de partículas carregadas.
O acelerador de indução linear foi inventado por Christofilos na década de 1960. Os aceleradores de indução linear são capazes de acelerar correntes de feixe muito altas (> 1000 A) em um único pulso curto. Eles têm sido usados para gerar raios X para radiografia instantânea (por exemplo, DARHT em LANL), e são considerados injetores de partículas para fusão de confinamento magnético e como drivers para lasers de elétrons livres.
BetatronsEdit
O Betatron é um acelerador de indução magnética circular, inventado por Donald Kerst em 1940 para acelerar elétrons. O conceito se originou em última análise do cientista norueguês-alemão Rolf Widerøe. Essas máquinas, como os síncrotrons, usam um ímã de anel em forma de donut (veja abaixo) com um campo B ciclicamente crescente, mas aceleram as partículas por indução do campo magnético crescente, como se fossem o enrolamento secundário em um transformador, devido ao mudar o fluxo magnético através da órbita.
Alcançar um raio orbital constante enquanto fornece o campo elétrico de aceleração adequado requer que o fluxo magnético que liga a órbita seja um tanto independente do campo magnético na órbita, dobrando as partículas em uma constante curva de raio. Essas máquinas têm sido limitadas na prática pelas grandes perdas radiativas sofridas pelos elétrons que se movem quase na velocidade da luz em uma órbita de raio relativamente pequeno.
Aceleradores lineares Editar
Radiofrequência supercondutora moderna, componente acelerador linear multicelular.
Em um acelerador de partículas linear (linac), as partículas são aceleradas em linha reta com um alvo de interesse em uma extremidade. Eles são freqüentemente usados para fornecer um impulso inicial de baixa energia às partículas antes de serem injetadas em aceleradores circulares. O mais longo linac do mundo é o Stanford Linear Accelerator, SLAC, que tem 3 km (1,9 mi) de comprimento. SLAC é um colisor elétron-pósitron.
Aceleradores lineares de alta energia usam uma matriz linear de placas (ou tubos de derivação) aos quais um campo alternado de alta energia é aplicado. Conforme as partículas se aproximam de uma placa, elas são aceleradas em sua direção por uma carga de polaridade oposta aplicada à placa. Conforme eles passam por um orifício na placa, a polaridade é alterada de forma que a placa agora os repele e eles são acelerados por ela em direção à próxima placa. Normalmente, um fluxo de “grupos” de partículas é acelerado, então uma voltagem CA cuidadosamente controlada é aplicada a cada placa para repetir continuamente esse processo para cada grupo.
Conforme as partículas se aproximam da velocidade da luz, a taxa de comutação dos campos elétricos torna-se tão alto que operam em radiofrequências, e assim as cavidades de micro-ondas são usadas em máquinas de alta energia em vez de placas simples.
Os aceleradores lineares também são amplamente usados na medicina, para radioterapia e radiocirurgia. Os linacs de grau médico aceleram os elétrons usando um clístron e um complexo arranjo de ímã de dobra que produz um feixe de energia de 6-30 MeV. Os elétrons podem ser usados diretamente ou podem colidir com um alvo para produzir um feixe de raios-X. A confiabilidade, flexibilidade e precisão do feixe de radiação produzido suplantou amplamente o uso antigo da terapia com cobalto-60 como ferramenta de tratamento.
Aceleradores de RF circulares ou cíclicos Editar
No acelerador circular , as partículas se movem em um círculo até atingirem energia suficiente.A trilha de partículas é normalmente dobrada em um círculo usando eletroímãs. A vantagem dos aceleradores circulares sobre os lineares (linacs) é que a topologia em anel permite aceleração contínua, pois a partícula pode transitar indefinidamente. Outra vantagem é que um acelerador circular é menor do que um acelerador linear de potência comparável (ou seja, um linac teria que ser extremamente longo para ter a potência equivalente de um acelerador circular).
Dependendo da energia e da partícula sendo acelerada, os aceleradores circulares sofrem a desvantagem de que as partículas emitem radiação síncrotron. Quando qualquer partícula carregada é acelerada, ela emite radiação eletromagnética e emissões secundárias. Como uma partícula viajando em um círculo está sempre acelerando em direção ao centro do círculo, ela irradia continuamente em direção à tangente do círculo. Essa radiação é chamada de luz síncrotron e depende muito da massa da partícula em aceleração. Por esse motivo, muitos aceleradores de elétrons de alta energia são linacs. Certos aceleradores (síncrotrons) são, no entanto, construídos especialmente para produzir luz síncrotron (raios X).
Uma vez que a teoria da relatividade especial requer que a matéria sempre viaje mais devagar do que a velocidade da luz no vácuo, em altas aceleradores de energia, conforme a energia aumenta, a velocidade das partículas se aproxima da velocidade da luz como limite, mas nunca a atinge. Portanto, os físicos de partículas geralmente não pensam em termos de velocidade, mas sim em termos da energia ou momento de uma partícula, geralmente medido em elétron-volts (eV). Um princípio importante para aceleradores circulares e feixes de partículas em geral é que a curvatura da trajetória da partícula é proporcional à carga da partícula e ao campo magnético, mas inversamente proporcional ao momento (tipicamente relativístico).
CyclotronsEdit
O ciclotron de 60 polegadas de Lawrence, com pólos magnéticos de 60 polegadas (5 pés, 1,5 metros) de diâmetro, no Laboratório de Radiação Lawrence da Universidade da Califórnia, Berkeley, em Agosto de 1939, o acelerador mais poderoso do mundo na época. Glenn T. Seaborg e Edwin McMillan (à direita) o usaram para descobrir plutônio, neptúnio e muitos outros elementos transurânicos e isótopos, pelos quais receberam o Prêmio Nobel de Química em 1951.
Os primeiros aceleradores circulares operacionais foram os ciclotrões, inventados em 1929 por Ernest Lawrence na Universidade da Califórnia, Berkeley. Os ciclotrons têm um único par de placas ocas em forma de “D” para acelerar as partículas e um único grande ímã dipolo para dobrar seu caminho em uma órbita circular. É uma propriedade característica das partículas carregadas em um campo magnético B uniforme e constante que orbitam com um período constante, em uma frequência chamada de frequência do ciclotron, desde que sua velocidade seja pequena comparada à velocidade da luz c. Isso significa que os D “s de aceleração de um ciclotron podem ser acionados em uma frequência constante por uma fonte de energia de aceleração de radiofrequência (RF), conforme o feixe espirala para fora continuamente. As partículas são injetadas no centro do ímã e extraídas a borda externa em sua energia máxima.
Os ciclotrons atingem um limite de energia devido aos efeitos relativísticos pelos quais as partículas tornam-se efetivamente mais massivas, de modo que sua frequência de cíclotron cai fora de sincronia com a aceleração de RF. Portanto, cíclotrons simples pode acelerar prótons apenas a uma energia de cerca de 15 milhões de elétron-volts (15 MeV, correspondendo a uma velocidade de aproximadamente 10% de c), porque os prótons ficam fora de fase com o campo elétrico propulsor. Se acelerado ainda mais, o feixe continuaria para espiralar para fora para um raio maior, mas as partículas não ganhariam mais velocidade suficiente para completar o círculo maior em sintonia com a aceleração de RF. Para acomodar os efeitos relativísticos, o campo magnético precisa a ser aumentado para raios mais altos, como é feito nos ciclotrons isócrons. Um exemplo de ciclotron isócrono é o ciclotron PSI Ring na Suíça, que fornece prótons com energia de 590 MeV, o que corresponde a cerca de 80% da velocidade da luz. A vantagem de tal cíclotron é a corrente máxima de prótons extraída alcançável, que atualmente é de 2,2 mA. A energia e a corrente correspondem à potência do feixe de 1,3 MW, que é a mais alta de qualquer acelerador existente atualmente.
Sincrociclotrons e ciclotrons isócronosEdit
Um ímã no sincrociclotron no centro de terapia de prótons de Orsay
Um ciclotron clássico pode ser modificado para aumentar seu limite de energia. A primeira abordagem historicamente foi o sincrociclotron, que acelera as partículas em cachos.Ele usa um campo magnético constante B {\ displaystyle B}, mas reduz a frequência do campo de aceleração de modo a manter as partículas em sintonia conforme elas espiralam para fora, correspondendo à frequência de ressonância do ciclotron dependente da massa. Esta abordagem sofre de feixe médio baixo intensidade devido ao agrupamento, e novamente da necessidade de um imã enorme de grande raio e campo constante sobre a órbita maior exigida por alta energia.
A segunda abordagem para o problema de aceleração de partículas relativísticas é o isócrono cíclotron: em tal estrutura, a frequência do campo de aceleração (e a frequência de ressonância do cíclotron) é mantida constante para todas as energias, moldando os pólos magnéticos de modo a aumentar o campo magnético com o raio. Assim, todas as partículas são aceleradas em intervalos de tempo isócrono. Partículas de energia mais alta viajam uma distância menor em cada órbita do que em um ciclotron clássico, permanecendo assim em fase com o campo de aceleração. A vantagem do ciclotron isócrono é que ele pode fornecer feixes contínuos de intensidade média mais alta, o que é útil para algumas aplicações. As principais desvantagens são o tamanho e o custo do grande ímã necessário, e a dificuldade em atingir os altos valores de campo magnético necessários na borda externa da estrutura.
Os sincrociclotrons não foram construídos desde que o ciclotron isócrono foi desenvolvido.
SynchrotronsEdit
Foto aérea do Tevatron no Fermilab, que se assemelha a um oito. O acelerador principal é o anel acima; o abaixo (cerca de metade do diâmetro, apesar das aparências) é para aceleração preliminar, resfriamento e armazenamento do feixe, etc.
Para alcançar energias ainda mais altas, com a massa relativística se aproximando ou excedendo a massa de repouso das partículas (para prótons, bilhões de elétron-volts ou GeV), é necessário o uso de um síncrotron. Este é um acelerador no qual as partículas são aceleradas em um anel de raio constante. Uma vantagem imediata sobre os cíclotrons é que o campo magnético só precisa estar presente na região real das órbitas das partículas, que é muito mais estreita do que a do anel. (O maior ciclotron construído nos EUA tinha um pólo magnético de 184 polegadas (4,7 m) de diâmetro, enquanto o diâmetro dos síncrotrons como o LEP e o LHC é de quase 10 km. A abertura dos dois feixes do LHC é de (ordem de um centímetro). O LHC contém 16 cavidades de RF, 1232 ímãs dipolo supercondutores para direcionamento do feixe e 24 quadrupolos para focalização do feixe. Mesmo com esse tamanho, o LHC é limitado por sua capacidade de direcionar as partículas sem que elas fiquem à deriva. Teoriza-se que esse limite ocorra a 14TeV.
No entanto, como o momento da partícula aumenta durante a aceleração, é necessário aumentar o campo magnético B na proporção para manter a curvatura constante da órbita. Em conseqüência, os síncrotrons não podem acelerar partículas continuamente, como os ciclotrons podem, mas devem operar ciclicamente, fornecendo partículas em grupos, que são entregues a um alvo ou um feixe externo em “derramamentos” de feixe normalmente a cada poucos segundos.
Uma vez que os síncrotrons de alta energia fazem a maior parte de seu trabalho em partículas que já estão viajando quase à velocidade da luz c, o tempo para completar uma órbita do anel é quase constante, assim como a frequência dos ressonadores de cavidade de RF usados para impulsionar a aceleração .
Nos síncrotrons modernos, a abertura do feixe é pequena e o campo magnético não cobre toda a área da órbita da partícula como faz para um ciclotron, portanto, várias funções necessárias podem ser separadas. Em vez de um imã enorme, tem-se uma linha de centenas de imãs dobrados, envolvendo (ou delimitado) tubos de conexão a vácuo. O projeto dos síncrotrons foi revolucionado no início dos anos 1950 com a descoberta do conceito de foco forte. A focalização do feixe é tratada de forma independente por ímãs quadrupolo especializados, enquanto a própria aceleração é realizada em seções de RF separadas, bastante semelhantes aos aceleradores lineares curtos. Além disso, não há necessidade de que as máquinas cíclicas sejam circulares, mas o tubo do feixe pode ter seções retas entre os ímãs onde os feixes podem colidir, ser resfriados, etc. Isso se desenvolveu em um assunto totalmente separado, chamado de “física do feixe” ou “feixe ótica “.
Síncrotrons modernos mais complexos, como o Tevatron, LEP e LHC, podem entregar os pacotes de partículas em anéis de armazenamento de ímãs com um campo magnético constante, onde podem continuar a orbitar por longos períodos para experimentação ou mais aceleração.As máquinas de alta energia, como o Tevatron e o LHC, são na verdade complexos aceleradores, com uma cascata de elementos especializados em série, incluindo aceleradores lineares para a criação inicial do feixe, um ou mais síncrotrons de baixa energia para atingir a energia intermediária, anéis de armazenamento onde os feixes podem ser acumulado ou “resfriado” (reduzindo a abertura do ímã necessária e permitindo um foco mais estreito; consulte o resfriamento do feixe) e um último grande anel para aceleração final e experimentação.
Segmento de um síncrotron de elétrons em DESY
Edição de síncrotrons de elétrons
Os aceleradores de elétrons circulares caíram um pouco em desuso para a física de partículas na época em que o acelerador de partículas linear do SLAC foi construído, porque suas perdas síncrotron eram consideradas economicamente proibitivas e porque sua intensidade de feixe era menor do que para as máquinas lineares não pulsadas . O milho ell Electron Synchrotron, construído a baixo custo no final dos anos 1970, foi o primeiro de uma série de aceleradores de elétrons circulares de alta energia construídos para a física de partículas fundamentais, sendo o último o LEP, construído no CERN, que foi usado de 1989 a 2000.
Um grande número de síncrotrons de elétrons foi construído nas últimas duas décadas, como parte de fontes de luz síncrotron que emitem luz ultravioleta e raios X; veja abaixo.
Anéis de armazenamentoEditar
Para algumas aplicações, é útil armazenar feixes de partículas de alta energia por algum tempo (com tecnologia moderna de alto vácuo, até muitas horas) sem mais aceleração. Isso é especialmente verdadeiro para aceleradores de feixe em colisão, nos quais dois feixes que se movem em direções opostas colidem um com o outro, com um grande ganho na energia de colisão efetiva. Como relativamente poucas colisões ocorrem em cada passagem pelo ponto de interseção dos dois feixes, é comum primeiro acelerar os feixes até a energia desejada e, em seguida, armazená-los em anéis de armazenamento, que são essencialmente anéis síncrotron de ímãs, sem RF significativo potência para aceleração.
Fontes de radiação síncrotronEditar
Alguns aceleradores circulares foram construídos para gerar deliberadamente radiação (chamada luz síncrotron) como Os raios X também são chamados de radiação síncrotron, por exemplo a fonte de luz Diamond que foi construída no Rutherford Appleton Laboratory na Inglaterra ou a Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory em Illinois, EUA. Os raios X de alta energia são úteis para espectroscopia de raios-X de proteínas ou estrutura fina de absorção de raios-X (XAFS), por exemplo.
A radiação síncrotron é emitida de forma mais poderosa por partículas mais leves, então esses aceleradores são invariavelmente aceleradores de elétrons. A radiação síncrotron permite uma melhor imagem conforme pesquisado e desenvolvido no SPEAR do SLAC.
Aceleradores de gradiente alternado de campo fixo
Aceleradores de gradiente alternado de campo fixo (FFA) s, em que um campo magnético que é fixo no tempo, mas com uma variação radial para atingir uma focagem forte, permite que o feixe seja acelerado com uma alta taxa de repetição, mas em um tamanho muito menor propagação radial do que no caso do cíclotron. FFAs isócrônicos, como ciclotrons isocrônicos, alcançam operação de feixe contínuo, mas sem a necessidade de um imã de curvatura dipolo enorme cobrindo todo o raio das órbitas. Alguns novos desenvolvimentos em FFAs são abordados.
HistoryEdit
O primeiro ciclotron de Ernest Lawrence tinha apenas 100 mm (4 polegadas) de diâmetro. Mais tarde, em 1939, ele construiu uma máquina com uma face de poste de 60 polegadas de diâmetro e planejou uma com um diâmetro de 184 polegadas em 1942, que foi, entretanto, assumida para trabalhos relacionados à Segunda Guerra Mundial relacionados à separação de isótopos de urânio; depois da guerra, ele continuou em serviço para pesquisa e medicina por muitos anos.
O primeiro grande síncrotron de prótons foi o Cosmotron no Laboratório Nacional de Brookhaven, que acelerou os prótons para cerca de 3 GeV (1953–1968). O Bevatron em Berkeley, concluído em 1954, foi projetado especificamente para acelerar prótons a energia suficiente para criar antiprótons e verificar a simetria partícula-antipartícula da natureza, então apenas teorizada. O Síncrotron de Gradiente Alternado (AGS) em Brookhaven (1960–) foi o primeiro grande síncrotron com gradiente alternado, ímãs de “foco forte”, que reduziu muito a abertura necessária do feixe e, correspondentemente, o tamanho e custo dos ímãs de dobra. O Proton Synchrotron, construído no CERN (1959–), foi o primeiro grande acelerador de partículas europeu e geralmente semelhante ao AGS.
O Stanford Linear Accelerator, SLAC, tornou-se operacional em 1966, acelerando elétrons a 30 GeV em um guia de ondas de 3 km de comprimento, enterrado em um túnel e alimentado por centenas de grandes klystrons. Ainda é o maior acelerador linear existente e foi atualizado com a adição de anéis de armazenamento e uma instalação de colisor elétron-pósitron. É também uma fonte de fótons síncrotron de raios X e UV.
O Fermilab Tevatron tem um anel com um caminho de feixe de 6,4 km. Ele recebeu várias atualizações e funcionou como um colisor de próton-antipróton até ser desligado devido a cortes no orçamento em 30 de setembro de 2011. O maior acelerador circular já construído foi o síncrotron LEP no CERN com uma circunferência de 26,6 quilômetros, que foi um colisor elétron / pósitron. Ele alcançou uma energia de 209 GeV antes de ser desmontado em 2000 para que o túnel pudesse ser usado para o Large Hadron Collider (LHC). O LHC é um colisor de prótons e atualmente o maior e mais acelerador de energia do mundo, alcançando 6,5 TeV de energia por feixe (13 TeV no total).
O Supercondutor Supercondutor (SSC) abortado no Texas teria uma circunferência de 87 km. A construção foi iniciada em 1991, mas abandonada em 1993. Aceleradores circulares muito grandes são invariavelmente construídos em túneis de alguns metros de largura para minimizar a interrupção e o custo de construção de tal estrutura na superfície, e para fornecem proteção contra radiações secundárias intensas que ocorrem, as quais são extremamente penetrantes em altas energias.