Accelerador de partícules
Un accelerador de partícules és un dispositiu que utilisa camps electromagnètics per a accelerar partícules carregades a altes velocitats i aixina fer-les colisionar en atres partícules.[1] D'esta manera es genera una multitut de noves partícules que —generalment— són molt inestables i duren menys d'un segon, açò permet estudiar més a fondo les partícules desintegrades per mig de les generades a partir d'elles. Hi ha dos tipos bàsics d'acceleradors de partícules: els llineals i els circulares. El tubo de rajos catódicos d'un televisor és una forma simple d'accelerador de partícules.[2]
Els acceleradors de partícules s'assemblen, en certa forma, a l'acció dels rajos còsmics sobre l'atmòsfera terrestre, la qual cosa produïx a l'encert una pluja de partícules exòtiques i inestables. No obstant, els acceleradors presten un entorn molt més controlat per a estudiar estes partícules generades, i el seu procés de desintegració.
Eixe estudi de partícules, tant inestables com a estables, pot ser en un futur útil per al desenroll de la medicina, l'exploració espacial, tecnologia electrònica, etcétera.
Acceleradors d'altes energies
[editar | editar còdic]Acceleradors llineals
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Accelerador llineal.
Els acceleradors llineals (moltes voltes s'usa l'acrònim en anglés linac) d'altes energies utilisen un conjunt de plaques o tubos situats en llínea als que se'ls aplica un camp elèctric altern.[3] Quan les partícules s'aproximen a una placa, s'acceleren cap a ella en aplicar una polaridad oposta a la seua. Just quan la traspassen, a través d'un forat practicat en la placa, la polaridad s'invertix, de manera que en eixe moment la placa repelix la partícula, accelerant-la per tant cap a la següent placa. Generalment no s'accelera una sola partícula, sino un continu de fas de partícules, de manera que s'aplica a cada placa un potencial altern cuidadosadament controlat de manera que es repetixca de forma contínua el procés per a cada fes.
A mida que les partícules s'acosten a la velocitat de la llum, la velocitat d'inversió dels camps elèctrics es fa tan alta que deuen operar a freqüències de microones, i per això, en molt altes energies, s'utilisen cavitats resonantes de freqüències de radi en lloc de plaques.
Els tipos d'acceleradors de corrent contínua capaces d'accelerar a les partícules fins a velocitats suficientment altes com per a causar reaccions nuclears són els generadors Cockcroft-Walton o els multiplicadors de potencial, que convertixen una corrent alterna a contínua d'alt voltage, o ben generadors Van de Graaf que utilisen electricitat estàtica transportada per mig de cintes.
Estos acceleradors s'usen en moltes ocasions com a primera etapa abans d'introduir les partícules en els acceleradors circulares. L'accelerador llineal més llarc del món és el colisionador electró-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de llongitut.
Estos acceleradors són els que s'usen en radioteràpia i radiocirugía. Utilisen vàlvules klistrón i una determinada configuració de camps magnètics, produint fas d'electrons d'una energia de 6 a 30 millons d'electronvoltios (MeV). En certes tècniques s'utilisen directament eixos electrons, mentres que en unes atres se'ls fa colisionar contra un blanc de número atómico alt per a produir fas de rajos X. La seguritat i fiabilitat d'estos aparats està fent retrocedir a les antigues unitats de cobaltoterapia.
Dos aplicacions tecnològiques d'importància en les que s'usen este tipo d'acceleradors són l'Espalación per a la generació de neutrons aplicables als amplificadors de potència per a la transmutació dels isòtops radiactius més perillosos generats en la fissió.
Acceleradors circulares
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Accelerador de partícules circular.
Estos tipos d'acceleradors posseïxen una ventaja afegida als acceleradors llineals en usar camps magnètics en combinació en els elèctrics, podent conseguir acceleració majors en espais més reduïts. Ademés, les partícules poden permanéixer confinades en determinades configuracions teòricament de forma indefinida.
No obstant, posseïxen un llímit a l'energia que pot alcançar-se per la radiació sincrotrón que emeten les partícules carregades en ser accelerades. L'emissió d'esta radiació supon una pèrdua d'energia, que és major quant més gran és l'acceleració impartida a la partícula. En obligar a la partícula a descriure una trayectòria circular, realment lo que es fa és accelerar la partícula, ya que la velocitat canvia el seu sentit, i d'esta manera és inevitable que perga energia fins a igualar la que se li suministra, alcançant una velocitat màxima.
Alguns acceleradors posseïxen instalacions especials que aprofiten eixa radiació, a voltes cridada llum sincrotrón. Esta radiació s'utilisa com a fonts de rajos X d'alta energia, principalment en estudis de materials o de proteïnes per espectroscòpia de rajos X o per absorció de rajos X per l'estructura fina (o espectrometria XAS).
Esta radiació és major quan les partícules són més llaugeres, per lo que s'utilisen partícules molt llaugeres (principalment electrons) quan es pretenen generar grans cantitats d'esta radiació, pero generalment s'acceleren partícules pesades, protones o núcleus ionizados més pesats, que fan que estos acceleradors puguen alcançar majors energies. Est és el cas del gran accelerador circular del CERN a on el gran colisionador d'electrons i positrones s'ha substituït pel gran colisionador de hadrones.
Els acceleradors de partícules més grans i potents, com l'accelerador relativiste de ions pesats, el gran colisionador de hadrones o el Tevatrón, s'utilisen en experiments de física de partícules.
Ciclotrón
[editar | editar còdic]
El primer ciclotrón va ser desenrollat per Ernest Orlando Lawrence en 1929 en l'Universitat de Califòrnia. En ells les partícules s'injecten en el centre de dos parells d'imans en forma de «D». Cada parell forma un dipol magnètic i ademés se'ls carrega de manera que existixca una diferència de potencial alterna entre cada parell d'imans. Esta combinació provoca l'acceleració.
Estos acceleradors tenen un llímit de velocitat baix en comparació als sincrotrones pels efectes. Aixina i tot les velocitats que s'alcancen són prou altes, cridades relativistes per ser propenques a la velocitat de la llum. Per este motiu se solen utilisar unitats d'energia (electronvoltios i les seues submúltiplos habitualment) en lloc d'unitats de velocitat. Per eixemple, per a protones, el llímit es troba en uns 10 MeV. Per este motiu, els ciclotrones solament es poden usar en aplicacions de baixes energies. Existixen algunes millores tècniques com el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desapareix. Algunes màquines utilisen vàries fases acoplades per a utilisar majors freqüències (per eixemple el rodotrón).[4]
Estos acceleradors s'utilisen, per eixemple, per a la producció de radioisòtops d'us mèdic (com per eixemple la producció de 18F per al seu us en els PET), per a l'esterilisació d'instrumental mege o d'alguns aliments, per a alguns tractaments oncològics i en l'investigació. També s'usen per a anàlisis químics, formant part dels cridats espectrómetros de masses.
Per a alcançar energies superiors, de l'orde dels GeV i superiors, és necessari utilisar sincrotrones.
Sincrotrón
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Sincrotrón.
Un dels primers sincrotrones, que accelerava protones, va anar el Bevatron construït en el Laboratori nacional Brookhaven (Nova York), que va començar a operar en 1952, alcançant una energia de 3 GeV.
El sincrotrón presenta algunes ventages sobre els acceleradors llineals i els ciclotrones. Principalment que són capaços de conseguir majors energies en les partícules accelerades. No obstant, necessiten configuracions de camps electromagnètics molt més complexos, passant dels simples dipols elèctrics i magnètics que usen el restant d'acceleradors a configuracions de cuadrupolos, sextupolos, octupolos i majors.
Estos acceleradors duen associat l'us de majors capacitats tecnològiques i industrials, tals com i entre moltes atres:
- el desenroll de superconductorés, capaços de crear els camps electromagnètics necessaris, sense la necessitat d'elevar el consum elèctric fins a cotes impensables,
- sistemes de buit, que permeten mantindre les partícules en el conducte a on es mantenen les partícules, sense pèrdues del fes inadmissibles,
- superordenadorés, capaços de calcular les trayectòries de les partícules en les distintes configuracions simulades i, posteriorment, assimilar les enormes cantitats de senyes generades en els anàlisis científics dels grans acceleradors com el gran colisionador de hadrones.
De la mateixa manera que en atres àrees de la tecnologia de punta, existixen múltiples desenrolls que es varen realisar per a la seua aplicació en estos acceleradors que formen part de la vida quotidiana de les persones. Potser el més conegut va ser el desenroll de la World Wide Web (comunament cridada web), desenrollat per a la seua aplicació en el gran colisionador d'electrons i positrones.
L'única forma d'elevar l'energia de les partícules en estos acceleradors és incrementar el seu tamany. Generalment, es pren com a referència la llongitut del perímetro de la circumferència (realment no formen una circumferència perfecta, sino un polígon lo més aproximat possible a esta). Per eixemple, tindríem el gran colisionador d'electrons i positrones en 26,6 km, capaç d'alcançar els 45 GeV (91 GeV per a una colisió de dos fas en sentits oposts), actualment reconvertit en el gran colisionador de hadrones del que es preveuen energies superiors als 7 TeV.
Vore també
[editar | editar còdic]- Accelerador de partícules circular
- Accelerador llineal
- Betatrón
- Bevatron
- Ciclotrón
- Experiment ATLAS (ATLAS)
- Gran colisionador de hadrones (LHC)
- GSI
- Gran colisionador d'electrons i positrones (LEP)
- Organisació Europea per a l'Investigació Nuclear (CERN)
- Sincrociclotrón
- Sincrotrón
- Solenoide compacte de muones (CMS)
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Antón; Andrés, {{{nom2}}}; Barri, {{{nom3}}} (2009-05). Física 2º Bachillerat (en és), Editex. ISBN 9788497715898.
- ↑ Fernández-Vidal (1 de juliol de 2016). La porta dels tres passadors (en és), Editorial Oceano. ISBN 9786077359869.
- ↑ Sears, Francis Weston; Ford, {{{nom2}}}; Freedman, {{{nom3}}} (2005). Física universitària (en és), Pearson Educació. ISBN 9789702606727.
- ↑ Pàgina web de Ion-Med, empresa espanyola que utilisa un ciclotrón de 4 fases per a l'acceleració d'electrons
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Acelerador de partículas» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.