Aceleradores de Altas Energías-Elaborado por Hazel Grabiela Alfaro.

3. -Aceleradores de Altas Energías

            3.1 –Definición:

Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, o bien, permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. (Wikipedia, 2009)

            3.2 – Funcionamiento

 Aceleraciones Lineales

Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa, se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

Acelerador lineal de partículas en el Argonne National Laboratory.

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversión de los campos eléctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas, y por eso, en muy altas energías, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partículas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje, o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estática transportada mediante cintas.

Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las partículas en los aceleradores circulares.

-            Aceleradores  Circulares

Un acelerador de partículas circular es un tipo de acelerador de partículas en el que éstas viajan múltiples veces a lo largo de un circuito de forma circular. Existen dos variantes de aceleradores circulares: los ciclotrones, que constituyen el primer modelo de acelerador construido, y los más modernos sincrotrones, en los cuales se alcanzan energías en el rango de los TeV - inaccesibles a los aceleradores lineales.(Wikipedia, 2011)

Los ciclotrones utilizan la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes ya que estos presentaban grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos. 

El sincrotrón

Es un acelerador de partículas que acelera partículas cargadas inicialmente en un recipiente toroidal.

A diferencia de un ciclotrón que usa un campo magnético constante (que hace que las partículas giren) y un campo eléctrico constante (para acelerar las partículas), y de un sincrociclotrón, el cual varía uno de los dos campos, en el sincrotrón ambos campos se hacen variar para mantener el camino de las partículas de forma constante, o sea, el radio no varía demasiado. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotrón  emitida es igual a la energía inyectada.

 3. 3  -Ejemplos:

-          El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

-          Entre los sincrotrones más grandes, está el Bevatron, actualmente en desuso, construido en 1950 en el Lawrence Berkeley National Laboratory (California, EE.UU.)

-          ALBA es un sincrotrón que está emplazado en Barcelona (España), en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona en Sardañola del Vallés.

-          Calutrón es un ciclotrón ubicado en Oak Ridge National Laboratory. (Wikipedia,2011)

-          Tevatrón es el nombre que recibe el acelerador de partículas circular del Fermilab ubicado en Batavia, Illinois (Estados Unidos). Es un sincrotrón que acelera protones y antiprotones en un anillo de 6.3 km de circunferencia hasta energías de casi 1 TeV, de donde proviene su nombre

-             3.4   - Ventajas:

-          Aceleradores lineales

-          Ese estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica.

-          Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.(Wikipedia,2011)

-          Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.

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-          Acelerador circular

-          Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

-          La ventaja sobre los lineales es que de esa forma podemos mantener una continua aceleración, dado que las partículas pueden circular todo el tiempo que se necesite.(Cid Vidal, X 2010)

-           Otra ventaja es que son relativamente más pequeños que los aceleradores lineales de potencia semejante(Cid Vidal, X 2010)

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-                      3.5 – Desventajas.

-          Acelerador circular

-          Posee  un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima. Y con ello todas las desventajas que conlleva esta emisión de radiación.