Un acelerador de partículas cargadas es una clase de dispositivos para producir partículas cargadas (partículas elementales , iones ) de altas energías. Los aceleradores más grandes son instalaciones costosas que requieren cooperación internacional. Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , que es un anillo de casi 27 kilómetros de largo, es el resultado del trabajo de decenas de miles de científicos de más de cien países. El LHC hizo posible que protones con una energía total de 13 TeV chocaran en el sistema del centro de masa de las partículas entrantes, lo que constituye un récord mundial [1] .
Las partículas aceleradas de energías relativamente bajas se utilizan para obtener una imagen en una pantalla de televisión o en un microscopio electrónico , para obtener rayos X ( tubos de rayos catódicos ), para destruir células cancerosas y para matar bacterias. Cuando se aceleran partículas cargadas a energías superiores a 1 megaelectronvoltio (MeV), se utilizan para estudiar la estructura de microobjetos (por ejemplo, núcleos atómicos ) y la naturaleza de las fuerzas fundamentales . En una serie de instalaciones denominadas colisionadores , con el fin de aumentar la eficiencia del uso de la energía de las partículas, sus haces chocan (contrahaces) [2] .
El funcionamiento del acelerador se basa en la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos . Un campo eléctrico es capaz de realizar un trabajo sobre una partícula, es decir, aumentar su energía. El campo magnético, que crea la fuerza de Lorentz , solo desvía la partícula sin cambiar su energía y establece la órbita a lo largo de la cual se mueven las partículas.
Estructuralmente, los aceleradores se pueden dividir fundamentalmente en dos grandes grupos. Estos son aceleradores lineales , en los que el haz de partículas pasa a través de los espacios de aceleración una vez, y aceleradores cíclicos , en los que los haces se mueven a lo largo de curvas cerradas (por ejemplo, círculos), pasando a través de los espacios de aceleración muchas veces. También es posible clasificar los aceleradores según su finalidad: colisionadores , fuentes de neutrones , impulsores, fuentes de radiación de sincrotrón , instalaciones para la terapia del cáncer , aceleradores industriales .
Ideológicamente, el acelerador lineal más simple. Las partículas son aceleradas por un campo eléctrico constante y se mueven en línea recta a través de la cámara de vacío a lo largo de la cual se encuentran los electrodos de aceleración. La aceleración de partículas cargadas ocurre por un campo eléctrico que es constante o cambia ligeramente durante todo el tiempo de aceleración de partículas. Una ventaja importante de un acelerador de alto voltaje en comparación con otros tipos de aceleradores es la posibilidad de obtener una pequeña dispersión de energía de las partículas aceleradas en un campo eléctrico uniforme y constante en el tiempo. Este tipo de aceleradores se caracteriza por una alta eficiencia (hasta el 95%) y la posibilidad de crear plantas de alta potencia relativamente simples (500 kW y más), lo cual es muy importante cuando los aceleradores se utilizan con fines industriales.
Los aceleradores de alto voltaje se pueden dividir en cuatro grupos según el tipo de generadores que crean alto voltaje:
La aceleración en este tipo de máquinas ocurre por un campo eléctrico de vórtice, que es creado por anillos ferromagnéticos con bobinados instalados a lo largo del eje del haz.
Acelerador resonante linealTambién conocido como LINAC (abreviatura de LINEar ACcelerator). La aceleración se produce por el campo eléctrico de los resonadores de alta frecuencia . Los aceleradores lineales se utilizan con mayor frecuencia para la aceleración primaria de partículas obtenidas de un cañón de electrones o una fuente de iones. Sin embargo, la idea de un colisionador lineal de energía completa tampoco es nueva. La principal ventaja de los linacs es la posibilidad de obtener emitancias ultrapequeñas y la ausencia de pérdidas de energía por radiación, que crecen en proporción a la cuarta potencia de la energía de la partícula.
Un acelerador cíclico en el que las partículas son aceleradas por un campo eléctrico de vórtice inducido por un cambio en el flujo magnético encerrado por la órbita del haz. Dado que para crear un campo eléctrico de vórtice es necesario cambiar el campo magnético del núcleo, y los campos magnéticos en máquinas no superconductoras suelen estar limitados por los efectos de la saturación de hierro a un nivel de ~20 kG, existe un límite superior en la energía máxima del betatrón. Los betatrones se utilizan principalmente para acelerar electrones a energías de 10-100 MeV (la energía máxima alcanzada en el betatrón es de 300 MeV).
El primer betatrón fue desarrollado y creado por Wideröe en 1928 , que, sin embargo, no logró lanzar. El primer betatron confiable fue creado por D. V. Kerst solo en 1940-1941 en los EE. UU.
CiclotrónEn un ciclotrón, las partículas se inyectan cerca del centro de un imán con un campo uniforme a una velocidad inicial baja. Además, las partículas giran en un campo magnético en un círculo dentro de dos electrodos huecos, los llamados. dees a los que se les aplica una tensión eléctrica alterna. La partícula es acelerada en cada revolución por el campo eléctrico en el espacio entre los dees. Para ello, es necesario que la frecuencia del cambio de polaridad del voltaje entre los dees sea igual a la frecuencia de revolución de la partícula. En otras palabras, el ciclotrón es un acelerador resonante . Está claro que al aumentar la energía, el radio de la trayectoria de la partícula aumentará hasta que abandone el imán.
El ciclotrón es el primero de los aceleradores cíclicos. Fue diseñado y construido por primera vez en 1930 por Lawrence y Livingston , por lo que el primero recibió el Premio Nobel en 1939 . Hasta ahora, los ciclotrones se han utilizado para acelerar partículas pesadas a energías relativamente bajas, hasta 50 MeV/nucleon.
MicrotrónTambién es un acelerador de multiplicidad variable. Un acelerador cíclico resonante con un campo magnético impulsor constante, como el de un ciclotrón, y una frecuencia de voltaje de aceleración. La idea del microtrón es hacer que el incremento del tiempo de revolución de la partícula, que se obtiene debido a la aceleración en cada revolución, sea un múltiplo del período de oscilación del voltaje acelerador.
MARCAUn acelerador con un campo constante (como en un ciclotrón), pero no homogéneo, y una frecuencia variable del campo acelerador.
Fasotrón (sincrociclotrón)La diferencia fundamental con el ciclotrón es la frecuencia del campo eléctrico que cambia durante la aceleración. Esto permite, debido al autofasaje , aumentar la energía máxima de los iones acelerados en comparación con el valor límite del ciclotrón. La energía en los fasotrones alcanza los 600-700 MeV.
SincrofasotrónAcelerador cíclico con una longitud constante de la órbita de equilibrio. Para que las partículas permanezcan en la misma órbita durante la aceleración, tanto el campo magnético principal como la frecuencia del campo eléctrico acelerador cambian.
SincrotrónUn acelerador cíclico con una longitud de órbita constante y una frecuencia constante del campo eléctrico acelerador, pero con un campo magnético impulsor variable.
Acelerador-recuperadorEn esencia, se trata de un acelerador lineal, pero el haz no se deja caer después de su uso, sino que se dirige a la estructura de aceleración en la fase "incorrecta" y se ralentiza, devolviendo energía. Además, hay aceleradores de recuperación de paso múltiple, donde el haz, de acuerdo con el principio de microtrón, hace varios pasos a través de la estructura de aceleración (posiblemente a lo largo de diferentes caminos), primero ganando energía y luego devolviéndola.
Fuente especializada de radiación coherente de rayos X.
Acelerador en vigas en colisión. Instalaciones puramente experimentales, cuya finalidad es estudiar los procesos de colisión de partículas de alta energía.
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