Accelerador llineal
Un accelerador llineal, moltes voltes cridat linac per les primeres sílabes del seu nom en anglés (linear accelerator), és un dispositiu elèctric per a l'acceleració de partícules que posseïxquen càrrega elèctrica, tals com els electrons, positrones, protones o ions. L'acceleració es produïx per increments, en travessar les partícules una seqüència de camps elèctrics alterns.[1]
El concepte teòric de l'accelerador llineal usant un camp oscilatori de radiofrecuencia va ser concebut en 1924 pel físic suec Gustaf Ising. Influït per esta idea, l'ingenier noruec Rolf Widerøi va construir el primer, en el que va poder accelerar ions de potassi fins a una energia de 50 000 eV. L'aparició de generadors més potents d'radiofrecuencia, desenrollats per als radars durant la Segona Guerra Mundial va supondre un alvanç important en el disseny dels acceleradors llineals, en possibilitar l'acceleració de partícules més llaugeres, com els protones i electrons. En 1946 Luis Álvarez va dissenyar un accelerador de 875 m de llongitut emplaçat en una cavitat resonante, capaç d'accelerar protones fins a alcançar una energia de 800 MeV. L'accelerador llineal de major llongitut, en 3.2 km, es troba en el Laboratori Nacional d'Acceleradors SLAC, Califòrnia.[1][2]
Els acceleradors llineals s'utilisen en la física de partícules i per a la producció de radiació per a l'estudi de l'estructura i propietats de la matèria. També tenen aplicacions pràctiques en l'indústria de semiconductors i la medicina.[1][2]
Desenroll de l'accelerador llineal
[editar | editar còdic]
Els primers acceleradors de partícules en càrrega elèctrica es basaven en l'aplicació d'un voltage continu; l'energia màxima que alcancen les partícules en este tipo d'accelerador és igual al voltage multiplicat per la seua càrrega. La principal llimitació d'este disseny és que, en aumentar el voltage fins a unes decenes de megavoltios, es produïx una descàrrega elèctrica en el mig. Per este motiu es varen buscar alternatives a este modo d'operació. Gustav Ising va sugerir l'us d'un voltage alternante i Rolf Widerøi va desenrollar tal concepte per primera volta en l'any 1928.[3][4]
Este tipo d'accelerador es compon d'un número variable de tubos cilíndrics. Els tubos alterns estan conectats entre sí, de tal modo que s'aplique una diferència de potencial oscilante entre els dos conjunts de tubos. Per esta diferència de potencial, les partícules carregades experimenten una acceleració en l'espai entre els tubos; una volta que penetren en el tubo, est actua com una caixa de Faraday, aïllant-les del camp elèctric oscilante fins que emergixen en l'atre extrem, a on experimenten un nou espente. El temps que tarden les partícules en travessar el tubo deu ser constant per a mantindre's sincronisat en el periodo d'oscilació del camp elèctric. Com la velocitat de les partícules s'incrementa a mida que viagen a lo llarc de l'accelerador, els tubos deuen tindre major llongitut a major distància de la font.[1] Els primers acceleradors d'este tipo funcionaven be en partícules pesades com a ions, pero eren incapaços d'impartir altes energies a partícules subatòmiques com protones o electrons. Per la seua poca massa, estes partícules alcancen una velocitat propenca a la de la llum i es requerix un camp oscilante a freqüències de l'orde de gigaherzios. Els klistronés, aparats inventats en 1937 i capaços de generar estes radiofrecuencia es varen escomençar a amprar per a usos no militars en finalisar la Segona Guerra Mundial. Al mateix temps, Luis Álvarez, junt en atres colaboradors de l'Universitat de Califòrnia, va propondre emplaçar l'accelerador en una cavitat resonante per a confinar el camp electromagnètic i llimitar les pèrdues per radiació.[2] Este disseny, en algunes modificacions, se sol usar per a acceleradors de protones.[5]
En els anys 60 es va introduir un nou disseny en el Laboratori Nacional dels Àlbers conegut com SCL (Side Coupling Linac) o 'Linac d'acoplament lateral'. Este tipo d'accelerador es compon de múltiples cavitats resonates acoplades. Les cavitats a lo llarc del fes de partícules es denominen cavitats acceleradores; cada parell adjacent de cavitats acceleradores, de fases opostes entre sí, conten en una cavitat d'acople lateral que contribuïx a l'estabilisació del camp electromagnètic en els acceleradors de major llongitut. Este tipo d'acceleradors pot usar klistrones de gran potència i s'usen predominantment per a l'acceleració de partícules a velocitats majors que un mig de la velocitat de la llum.[2] En els anys 80 es va propondre l'us de materials superconductores en els components dels acceleradors. Esta tecnologia s'usa predominantment en els acceleradors de gran tamany que operen a altes energies, com els [[làser d'electrons lliures|làsers d'electrons lliures]] i els linacs de Recuperació d'Energia.[5]
Components
[editar | editar còdic]
Un accelerador de partícules llineal modern conta en els següents elements:
- Una font de partícules: la font depén primordialment del tipo d'accelerador. Per als acceleradors d'electrons es poden utilisar càtodos termoiònics, en els que els electrons se separen dels àtoms en calfar el material,[6] càtodos frets[7] o fotocátodos excitats per un làser, que resulten en un fes més concentrat i menys divergent.[8] Les fonts de protones i ions són molt diverses; estes partícules se solen extraure d'un plasma, generat, per eixemple a partir d'una descàrrega o radiació de microones aplicats a un gas.[9][10]
- Una font d'alt voltage per a l'injecció inicial de les partícules. L'injector pot ser de voltage continu o altern. En els acceleradors de ions s'usen cuadrupolos magnètics operats a radiofrecuencia, per a mantindre el fes enfocat a baixes energies.[5]
- Una estructura hueca que alberga les components de l'accelerador i que deu mantindre's a un alt nivell de buit, entre 10-6 i 10-9 Torr, per a llimitar la desacceleració de les partícules i pèrdues d'energia.[5] La seua llongitut depén de les aplicacions i varia entre 1 o 2 m i quilómetros.
- Electrodos cilíndrics aïllats eléctricament. La seua llongitut depén de la distància en el tubo, aixina com del tipo de partícula a accelerar i de la potència i la freqüència del voltage aplicat. Els segments més curts estan prop de la font i els més llarcs, a l'atre extrem.[11]
- Fonts de voltage altern, que van a alimentar als electrodos. L'us de klistrones per a amplificar la senyal electromagnètica és indispensable per als acceleradors d'alta potència. Encara que els tubos de buit han quedat obsolets per a la majoria de les aplicacions per a les que es varen desenrollar inicialment, no existix una alternativa capaç de generar la mateixa potència a llongituts d'ona de l'orde de milímetros.
- Es poden requerir lents magnètiques i elèctriques adicionals per a mantindre el fes focalizado en el centre del tubo i els elements acceleradors, sobretot en acceleradors de protones i ions.[5][12]
- Els acceleradors molt llarcs poden precisar el alineamiento dels seus components per mig de servos i un fes de làser com a guia.[13]
Ventages i desventages de l'accelerador llineal
[editar | editar còdic]Els acceleradors llineals generen un fes de partícules carregades intens, a alta energia i en un ranc de característiques que ho convertixen en un instrument idòneu per a múltiples aplicacions. És possible obtindre fas de chicotet tamany, colimados, de polsos concentrats en el temps o en baixa distribució d'energies. Entre les ventages d'este tipo d'acceleradors es conten les següents:[2]
- El fes travessa l'accelerador una volta, lo que evita efectes de resonància destructiva.
- El fes viaja en llínea recta, per lo que no es produïxen pèrdues d'energia per radiació sincrotrón.
- No es precisa de dispositius complicats per a injectar i extraure el fes.
- Pot produir fas pulsats o operar a ona contínua.
La principal desventaja de l'accelerador llineal és que, per a conseguir alcançar altes energies, és necessari aumentar el número d'elements d'acceleració, en el consegüent increment en els costs de construcció. En contrast, en els acceleradors circulares, les partícules travessen la cavitat d'radiofrecuencia un número indefinit de voltes.[14]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 «L'accelerador llineal». Consultat el 17 d'abril de 2012.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Wangler, Thomas (2004). «Ion linacs», Helmut Wiedemann (ed.). Physics and Technology of Linear Accelerator Systems: Proceedings of the 2002 Joint USPAS-CAS-Japan-Russian Accelerator School, Long Beach, Califòrnia 6-14 November 2002, World Scientific. ISBN 9789812384638.
- ↑ (1928).Arkiv Fuer Matematik, Astronomi Och Fysik.18(4)
- ↑ Archiv fuer Elektronik und Uebertragungstechnik.21(4)
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Jameson, Robert; Bisognano, Joseph; Lapostolle, Pierre (15 d'octubre de 2009). «Linear accelerators», Encyclopedia of Applied Physics (PDFPDF), digital edició, Wiley.
- ↑ Lawrence-Berkeley laboratory. «Linac» (en en). Archivat des d'el original, el 2 de març de 2018. Consultat el 26 d'abril de 2012.
- ↑ Proceedings of the IEEE.87(5)
- 865-889.doi:10.1109/5.757258.
- ↑ (1994).SLAC-PUB-6606.
- ↑ (1994).CERN Accelerator School Proceedings.CERN 94-01.II
- 619-642.
- ↑ Cid Vidal, Xabier i Cid, Ramón. «Font de protones». Acostant-nos a el LHC. Consultat el 1 de maig de 2012.
- ↑ «Linear Accelerators» (en en). Guide to the Nuclear Wall Chart. Archivat des d'el original, el 30 d'abril de 2012. Consultat el 7 de maig de 2012.
- ↑ (1961).Atomic Energy.8(2)
- 114-119.doi:10.1007/BF01481203.
- ↑ (2004).Proceedings of the 8th International Workshop on Accelerator Alignment.
- ↑ «Particle accelerators: Linear accelerators» (en en). ISIS. Science and Technology Facilities Council. Consultat el 10 de maig de 2012.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Acelerador lineal» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.