Un acelerador de partículas es una máquina que utiliza campos electromagnéticos para propulsar partículas a una velocidad cercana a la de la luz y para contenerlas en haces bien definidos.
[1]
Los aceleradores grandes se utilizan en la física de partículas como colisionadores (p. Ej., El LHC atCERN, KEKB en KEK en Japón, RHIC en el Laboratorio Nacional de Brokhaven y Tevatron en Fermilab), o fuentes de luz de asincrotrón para el estudio de la física de la materia condensada. Los aceleradores de partículas más pequeñas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la terapia de partículas para fines oncológicos, la producción de radioisótopos para diagnósticos médicos, los implantadores de iones para la fabricación de semiconductores y los espectrómetros de masas aceleradores para la medición de isótopos raros, como el radiocarbono. Actualmente hay más de 30,000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo.
[2]
- Si la gravedad es independiente de la masa del cuerpo, ¿por qué baja el lado más pesado de una balanza de pesaje?
- ¿La ciencia ha descubierto a Dios?
- Cuando se usa un microscopio de túnel de electrones, ¿por qué los científicos concluyen que lo que se representa en la pantalla de la computadora es realmente un átomo?
- ¿Qué hace que el planeta Tierra sea tan único?
- El hierro es el elemento más estable (con respecto a la fusión y la fisión) cuando no hay presión. ¿Bajo cuánta presión el hierro ya no sería el elemento / sustancia más estable, debido al principio de Le Chatelier?
Hay dos clases básicas de aceleradores: aceleradores electrostáticos y electrodinámicos (o electromagnéticos).
[3]
Los aceleradores electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar las partículas. Los tipos más comunes son el generador de Cockcroft-Walton y el generador de Van de Graaff. Un ejemplo a pequeña escala de esta clase es el tubo de rayos catódicos en un televisor viejo y corriente. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por el voltaje de aceleración, que está limitado por la ruptura eléctrica. Los aceleradores electrodinámicos o electromagnéticos , por otro lado, utilizan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea campos de inducción magnética o de radio frecuencia oscilante) para acelerar las partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden pasar a través del mismo campo de aceleración varias veces, la energía de salida no está limitada por la fuerza del campo de aceleración. Esta clase, que se desarrolló por primera vez en la década de 1920, es la base de la mayoría de los aceleradores modernos a gran escala.
Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Max Steenbeck y Ernest Lawrencea son considerados pioneros de este campo, al concebir y construir el primer acelerador de partículas lineal operacional.
[4]
El betatrón, y el ciclotrón.
Debido a que los colisionadores pueden dar evidencia de la estructura del mundo subatómico, a los aceleradores se los denominaba destructores de átomos en el siglo XX.
[5]
A pesar del hecho de que la mayoría de los aceleradores (pero no las instalaciones iónicas) en realidad impulsan partículas subatómicas, el término persiste en el uso popular cuando se hace referencia a los aceleradores de partículas en el gen.
Usos
Los haces de partículas de alta energía son útiles para la investigación fundamental y aplicada en las ciencias, y también en muchos campos técnicos e industriales no relacionados con la investigación fundamental. Se ha estimado que hay aproximadamente 30,000 aceleradores en todo el mundo. De estos, solo alrededor del 1% son máquinas de investigación con energías por encima de 1 GeV, mientras que alrededor del 44% son para radioterapia, el 41% para implantación de iones, el 9% para investigación y procesamiento industrial y el 4% para investigación biomédica y de bajo consumo energético.
[9]
El gráfico de barras muestra el desglose del número de aceleradores industriales según sus aplicaciones. Los números se basan en las estadísticas de 2012 disponibles de diversas fuentes, incluidos los datos de producción y ventas publicados en presentaciones o estudios de mercado, y los datos proporcionados por varios fabricantes.
[10]
Física de alta energía
Para las consultas más básicas sobre la dinámica y la estructura de la materia, el espacio y el tiempo, los físicos buscan los tipos más simples de interacciones con las energías más altas posibles. Estos típicamente conllevan energías de partículas de muchos GeV, y las interacciones de los tipos más simples de partículas: leptones (por ejemplo, electrones y positrones) y quarks para la materia, o fotones y gluones para los cuantos de campo. Dado que los quarks aislados no están disponibles experimentalmente debido al confinamiento del color, los experimentos más simples disponibles involucran las interacciones de, primero, leptones entre sí, y segundo, de leptones con nucleones, que están compuestos de quarks y gluones. Para estudiar las colisiones de los quarks entre sí, los científicos recurren a las colisiones de nucleones, que a alta energía pueden considerarse útiles como interacciones esencialmente de 2 cuerpos de los quarks y gluones de los que están compuestos. Por lo tanto, los físicos de partículas elementales tienden a usar máquinas que crean haces de electrones, positrones, protones y antiprotones, interactuando entre sí o con los núcleos más simples (por ejemplo, hidrógeno o deuterio) a las energías más altas posibles, generalmente a cientos de GeV o más.
El acelerador de partículas de energía más grande y más alto usado para la física de partículas elementales es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, que opera desde 2009.
[11]
Física nuclear y producción de isótopos.
Los físicos nucleares y los cosmólogos pueden usar haces de núcleos atómicos desnudos, despojados de electrones, para investigar la estructura, las interacciones y las propiedades de los propios núcleos, y la materia condensada a temperaturas y densidades extremadamente altas, como podría haber ocurrido en los primeros momentos de la Big Bang. Estas investigaciones a menudo involucran colisiones de núcleos pesados, de átomos como el órgano de hierro, en energías de varios núcleos de GeV. El acelerador de partículas de este tipo más grande es el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de protones, que pueden producir isótopos médicos o de investigación ricos en protones a diferencia de los ricos en neutrones producidos en reactores de fisión; Sin embargo, trabajos recientes han demostrado cómo hacer
99
Mo, generalmente fabricado en reactores, al acelerar los isótopos del hidrógeno,
[12]
aunque este método aún requiere un reactor para producir tritio. Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE atLos Alamos.
Radiación sincrotrón
Además de tener un interés fundamental, los electrones acelerados en un campo magnético hacen que los electrones de alta energía emitan rayos extremadamente brillantes y coherentes de fotones de alta energía radiación viasynchrotron en el espectro continuo, que tienen numerosos usos en el estudio de la estructura atómica, la química, la materia condensada. Física, biología y tecnología. Existe una gran cantidad de fuentes de luz de sincrotrón en todo el mundo. Los ejemplos en los EE. UU. Son SSRL y LCLS en SLAC National Accelerator Laboratory, APS en Argonne National Laboratory, ALS en Lawrence Berkeley National Laboratory y NSLSat Brookhaven National Laboratory. TheESRF en Grenoble, Francia, se ha utilizado para extraer imágenes tridimensionales detalladas de insectos atrapados en ámbar.
[13]
Por lo tanto, existe una gran demanda de aceleradores de electrones de energía moderada (GeV) y alta intensidad.
Máquinas de baja energía y terapia de partículas.
Todos los días ejemplos de aceleradores de partículas son tubos de rayos catódicos encontrados en televisores y generadores de rayos X. Estos aceleradores de bajo consumo de energía utilizan un solo par de electrodos con un voltaje de CC de unos pocos miles de voltios entre ellos. En un generador de rayos X, el objetivo en sí es uno de los electrodos. En la fabricación de circuitos integrados se utiliza un acelerador de partículas de baja energía llamado implante de iones.
En energías más bajas, los haces de núcleos acelerados también se utilizan en medicina como terapia de partículas, para el tratamiento del cáncer.
Los tipos de aceleradores de CC capaces de acelerar las partículas a velocidades suficientes para causar reacciones nucleares son los generadores de Cockcroft-Walton o los multiplicadores de voltaje, que convierten la CA en CC de alto voltaje, o los generadores de Van de Graaff que usan electricidad estática transportada por correas.
Espero que te aclare todas tus dudas !!!
hacer upvote y seguir.