Acelerador de partculasEl acelerador de partculas no es un invento reciente ni mucho menos, aunque en la actualidad los experimentos del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) alcanzaron una gran popularidad. Se trata de una mquina que se comenz a utilizar a principios del siglo XX, y que fue adquiriendo diferentes formas y usos a lo largo de las dcadas.

Un acelerador de partculas es bsicamente un aparato en el cual las partculas cargadas elctricamente (electrones o iones) adquieren una gran velocidad y, gracias a ella, un grado de energa muy elevado, por medio de un campo elctrico o magntico. As, se pueden obtener rayos X o neutrones emitidos como resultado de una reaccin nuclear que obligan a esas partculas aceleradas a bombardear un blanco apropiado que, a su vez, emite rayos X o neutrones.

Los grandes aceleradores de partculas son instrumentos de investigacin cientfica extraordinariamente importantes, sobre todo en lo que refiere a la fsica nuclear. Pero tambin se utilizan otros tipos de aceleradores ms reducidos para otros campos de la ciencia, como la medicina y la tecnologa.

Un haz de partculas, merced a su energa cintica, puede penetrar en los tomos del material bombardeado y provocar diversas transformaciones. En los laboratorios de fsica nuclear, se estudia la naturaleza de esas transformaciones, intentando sacar conclusiones acerca de las propiedades y las estructuras de los ncleos atmicos.

Los resultados obtenidos en los aceleradores de partculas son numerosos. Ciertos istopos radioactivos no pueden obtenerse si no es mediante el bombardeo por aceleracin de partculas en un blanco determinado.

Se descubrieron varias partculas hasta entonces desconocidas, como las antipartculas y los mesones, a travs de la colisin a gran velocidad de haces de electrones e iones.

La energa cintica de las partculas aceleradas se expresa en electronvoltios (eV). En la prctica se emplean, preferentemente, los mltiplos de dicha unidad. Por ejemplo, 1Kev es igual a 10 elevado al 3: 1 KeV = 103 eV. Tambin se usan mltiplos como 1 MeV = 103 KeV = 106 eV, 1 GeV = 103 MeV = 109 eV, 1 TeV = 103 GeV = 1012 eV.

La energa de las partculas que es posible alcanzar en un acelerador de partculas vara desde unas decenas de KeV, en los aparatos ms pequeos, hasta los 14 TeV que tericamente puede alcanzar el Gran Colisionador de Hadrones.

Existen distintos modelos de aceleradores de partculas, cada cual diseado para responder a determinados usos y velocidades de colisin.

Cuando se desea alcanzar una energa de las partculas de alrededor de 8 MeV o menos, se utilizan aparatos que disponen de un solo tubo de aceleracin rectilnea en el cual las partculas procedentes de la fuente de iones o de electrones son liberadas en un extremo, a muy alta tensin, de un tubo largo, aislado, cuyo otro extremo se halla conectado a la tierra. Las partculas as son atradas por la diferencia de potencial hacia el extremo conectado a la tierra.

Diseo de un ciclotrn Si se desea obtener una energa ms alta, las partculas deben ser objeto de varias aceleraciones sucesivas para alcanzar la velocidad adecuada. En un acelerador lineal, para iones positivos, el haz atraviesa una serie de cilindros de longitud creciente.

El ciclotrn, no difiere en principio de este sistema lineal, pero en vez de utilizar cilindros de diferente longitud, se coloca un campo magntico perpendicular a la trayectoria de la partcula, de forma que esta se desplaza a lo largo de una espiral cuyo radio aumenta progresivamente.

En los betatrones, los electrones son acelerados por un aumento de la intensidad de un campo magntico perpendicular a una trayectoria circular, procediendo dicho campo magntico de un electroimn colocado en el centro.

Por otro lado, los sincrotrones utilizan mtodos ms simples para alcanzar una energa elevada. Se componen de una cmara en forma de anillo colocada entre los polos de un electroimn anular.

HISTORIA GRFICA DE LOS ACELERADORES DE PARTCULAS

En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Cockcroft y Walton construyeron este acelerador de 500 kilovolts en 1932.

La versin moderna de un acelerador Cockcroft-Walton se usa hoy en el Fermilab como un preacelerador.

El acelerador de 2.7 MeV desarrollo por Robert Van de Graaff e instalado en el instituto Tecnolgico de Massachusetts en 1937.

Acelerador electrosttico de 2 MeV tipo Van de Graaff perteneciente al Instituto de Fsica de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico desde 1952.

Fuente de iones del acelerador de 5.5 MeV instalado recientemente en el Instituto de Fsica de la UNAM.

El centro Nuclear de Salazar, Estado de Mxico. Al fondo se aprecia el edificio del acelerador Tandem y los talleres. Al centro, los laboratorios y servicios de cmputo. En primer plano, las oficinas, los cubculos y el auditorio.

Laboratorio del acelerador Tandem Van de Graaff del Centro Nuclear Nacional en Salazar, Estado de Mxico.

El primer ciclotrn que entr en operacin en la Universidad de California en 1932. Este aparato fue diseado y construido por Lawrence y Livingston.

El cosmotrn de 3 GeV de los Laboratorios Nacionales de Brookhaven en Nueva York. La fotografa data de 1954.

El sincrotn de protones de 28 GeV del CERN en Ginebra. Este acelerador oper por primera vez en 1959.

El acelerador lineal de Stanford, que tiene una longitud de 3.2 Kilmetros, puede producir electrones y protones de energa muy alta. En la parte derecha inferior de la fotografa se ve un anillo de almacenamiento, el SPEAR, que tiene unos 75 metros de dimetro.

Una de las res experimentales del SLAC, el acelerador lineal de Stanford. Aqu se ve uno de los grandes espectrmetros magnticos.

Vista aerea del acelerador Tevatrn de Fermilab, primera mquina superconductora que entr en operacion. Este es hoy el acelerador de ms alta energa en el mundo.

El tnel del acelerador Tevatrn de Fermilab, uno de los laboratorios nacionales de Estados Unidos, tiene una circunferencia de 6.3 Kilmetros. En la fotografa se ven los imanes superconductores que permiten desviar el haz de protones.

Grfica de Livingston, en la que se muestra como han crecido de manera exponencial los aceleradores de partculas entre 1930 y 1980.

INSTITUTO POLITECN ICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIO DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

ACELERADOR DE PARTICULASTEORIA ELECTROMAGNETICA

PROFESOR: ING. PEDRO HECTOR ARCINIEGA LPEZ

ALUMNA: BAEZA GARCIA ANA LAURAGRUPO: 2IM25

16 Noviembre 2010