Monografias.com > Tecnología
Descargar Imprimir Comentar Ver trabajos relacionados

Aceleradores de partículas




Enviado por alexis pucha



  1. Abstract
  2. Introducción
  3. Acelerador lineal
    de partículas
  4. Aceleradores
    circulares
  5. Métodos
    científicos
  6. Conclusiones
  7. Referencias

Abstract

En los ACELERADORES DE PARTICULAS podemos
detallar un gran avance tecnológico ya que hoy en
día nos encontramos ante un mundo lleno de innovaciones en
el campo del experimento de los campos magnéticos, estar
al día en nuestra sociedad exige estar acorde con este
ámbito de aquí la necesidad de implementar una de
las herramientas que a largo de nuestro desarrollo ha venido
evolucionando en el mudo. La investigación que hemos
realizado está encaminada a proporcionarnos
información suficiente y necesaria para poder ingresar en
el uso de beneficio de la tecnología en el mundo
actual.

PALABRAS CLAVE: Aceleradores (energías bajas,
altas, lineales y circulares), Ecuaciones de Lorentz

Introducción

Los aceleradores de particulares es un dispositivo
utilizado en el campo eléctrico comúnmente como
campos electromagnéticos para impulsar
partículas cargadas a altas velocidades

En el desarrollo de los aceleradores de
partículas hay dos tipos básicos: lineales y
circulares En este artículo se describirán los
tipos más comunes de aceleradores de
partículas.

Característica de los aceleradores
de partículas.

Un acelerador de partícula consiste esencialmente
en un gran anillo hueco en que se intercalan grandes fuentes de
energía electica y grandes imanes en los que se inyectan
electrones, iones y protones. Estas partículas elementales
se aceleran a velocidades de hasta el 99%de la velocidad de la
luz y colisionan a las más altas energías que el
hombre conoce. En estos choques se generan nuevas
partículas subatómicas cuyo tiempo de vida es
infinito, pero suficiente para poder ser estudiadas.

PROPIEDADES

Aceleradores de bajas energías. Son
los tubos de rayos catódicos encontrados en
televisones y generadores de rayos X. Estos aceleradores de baja
energía usan un par de electrodos con un voltage
de corriente directa de unos cientos de voltios en
ellos. Un acelerador de partículas baja energía
llamado implantador de iones es usado en la fabricación de
circuitos integrados.

Aceleradores de altas energías. Líneas
del haz de partículas que llevan desde el acelerador de
Van de Graaf a varios experimentos, en la base del Campus Jussieu
de París.

Monografias.com

Acelerador lineal de
partículas

Los aceleradores lineales 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 aproximadamente 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.

En los aceleradores de partículas antiguos se
usaba un Generador Cockcroft-Walton para la
multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador
ayudó al desarrollo de la bomba atómica.
Construido
en 1937 por Philips de Eindhoven. 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.

Monografias.com

Es un tipo de acelerador en el cual las
partículas son aceleradas a lo largo de una trayectoria
rectilínea, lo que hace que el tiempo disponible para el
aceleramiento y la energía lograda por las
partículas se vean limitados por la longitud del aparato,
a diferencia de los circulares, que permiten que las
partículas viajen muchas veces a lo largo de una
trayectoria circular.

Monografias.com

SLAC o Stanford Linear
Accelerator
: Imagen tomada de:
www.semgym.uni-tuebingen.de

El acelerador lineal también llamado LINAC
(linear accelerator) es un tipo de acelerador que le proporciona
a la partícula subatómica cargada pequeños
incrementos de energía cuando pasa a través de una
secuencia de campos eléctricos alternos.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona
energía a la partícula en una sola etapa, el
acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan
energía a la partícula en pequeñas
cantidades que se van sumando.

El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el
físico sueco Gustaf Ising. El ingeniero noruego Rolf
Wideröe construyó la primera máquina de esta
clase, que aceleraba iones de potasio hasta una energía de
50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron
potentes osciladores de radio frecuencia, necesarios para los
radares de la época. Después se usaron para crear
aceleradores lineales para protones que trabajaban a una
frecuencia de 200 MHz, mientras que los aceleradores de
electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el
físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de largo y
aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV
(800 millones).

El acelerador lineal de la universidad de Stanford es el
más largo entre los aceleradores de electrones, mide 3.2
km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV (50
billones).

En la industria y en la medicina se usan pequeños
aceleradores lineales, bien sea de protones o de electrones.

Aceleradores
circulares

Existen dos variantes de aceleradores circulares: los
ciclotrones (que constituyen el primer modelo de acelerador
construido) y los más modernos sincrotrones, con los
cuales se alcanzan energías del orden de los TeV (billones
de electron-volts). Estas energías son inalcanzables por
los aceleradores lineales y en general a los primeros
aceleradores circulares.

En el primero, son utilizados, un campo magnético
constante para acelerar las partículas, que hace que las
partículas giren, y un campo eléctrico constante,
que acelera a las partículas; en el sincrotón ambos
campos se hacen variar para mantener el camino de las
partículas de forma constante.

Entre los sincrotrones más grandes, está
el Bevatron, actualmente en desuso, construido en 1950 en el
Lawrence Berkeley National Laboratory (California, E.U.) y que
fue utilizado para establecer la existencia del
antiprotón.

El nombre de este acelerador de protones proviene de su
energía, que está en la gama de 6.3 GeV (entonces
llamado BeV por alcanzar el millón de electron-voltios; en
esta máquina se crearon un gran número de elementos
pesados, inexistentes en el mundo natural. El sincrotón
del CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear,
por sus siglas en francés) en Ginebra Suiza, que
también tiene el colisionador mas grande del
mundo.

Monografias.com

El doble anillo del CERN en Ginebra
(Suiza). El anillo exterior tiene un diámetro de 6 km.
Imagen tomada de: www.semgym.uni-tuebingen.de

La radiación lograda por un sincrotrón
puede emplearse en el análisis de estructuras
biológicas de materiales, microelectrónica, en
aplicaciones médicas como en la radioterapia y
tomografía de emisión de positrones. Otras
aplicaciones terapéuticas son las enfermedades
oncológicas y neurodegenerativas y la investigación
en diagnóstico mediante detectores de
radiación.

Los aceleradores se utilizan para producir
isótopos que luego pueden ser seguidos en su ruta por el
interior del cuerpo humano, así como para el tratamiento
de tumores mediante su irradiación.

En la química y la bioquímica
se utilizan habitualmente aceleradores como generadores de rayos
X, que a su vez se utilizan en técnicas de
difracción para descubrir las configuraciones espaciales
de proteínas, enzimas y rejillas cristalinas de materiales
interesantes. 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.

Sin embargo poseen 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.

Métodos
científicos

El gran colisionador de hadrones (LHC-Large Hadron
Collider)
es la respuesta del CERN a la búsqueda de
los científicos de los misterios de la materia. Construido
que albergo colisiondor de electrones-protones) es el mayor
acelerador de partículas que existiría sobre la
tierra. Su objetivo es hacer colisionar protones a tal velocidad
que estos darán (11.245) vueltas al anillo en cada
segundo.

Los chorros de protones inyectados en su interior
viajaran durante diez horas diez billones de kilómetros
hasta conseguir una energía similar a la que
tendrán un coche a 1.600 Km/h. los choques entre estos
haces de partículas generaran nuevas partículas
unas ya conocidas y otra cuya existencia que no se conocemos,
pero que han sido predichas por las teorías
físicas.

Monografias.com

Estaciones detectoras: los haces de
partículas en el LHC chocan en dispositivos especiales,
las unidades detectoras, donde las nuevas partículas
generadas se hacen durante unos instantes a través de las
trayectorias que describen de los cambios genéricos a los
físicos en los campos magnéticos.

Cada haz de partícula consiste en unos 3000
sub-haces cada uno de los cuales contienen unos 100 billones de
partículas. Pero estas son tan pequeñas que cuando
los haces chocan no provocan más de 20 coliciones por cada
200billones de partículas.

Monografias.com

Ciclotrón. Imagen de la patente
de 1934 del ciclotrón, por Ernest Orlando
Lawrence. "Método y aparato para la aceleración de
iones".

Monografias.com

El primer ciclotrón fue desarrollado
por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en
la Universidad de California. En ellos las partículas
se inyectan en el centro de dos pares de imanes en
forma de "D".

Cada par forma un dipolo magnético y
además se les carga de forma que exista
una diferencia de potencial alterna entre cada par de
imanes. Esta combinación provoca la
aceleración.

Por ejemplo, para protones, el límite se
encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los ciclotrones
solo se pueden usar en aplicaciones de bajas
energías. Existen algunas mejoras técnicas como
el sincrociclotrón o el ciclotrón
síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas
máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar
mayores frecuencias (por ejemplo
el rodotrón1 ).

Para alcanzar energías superiores, del orden de
los GeV y superiores, es necesario utilizar
sincrotrones. y cronómetros.

Sincrotrón. Uno de los primeros
sincrotrones, que aceleraba protones, fue
el Bevatron construido en el Laboratorio nacional
Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar
en 1952, alcanzando una energía de
3 GeV.

Monografias.com

El sincrotrón presenta algunas ventajas con
respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones.
Principalmente que son capaces de conseguir mayores
energías en las partículas aceleradas. Sin embargo
necesitan configuraciones de campos electromagnéticos
mucho más complejos, pasando de los
simples dipolos eléctricos y magnéticos
que usan el resto de aceleradores a configuraciones
de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y
mayores.

  • el desarrollo de superconductores, capaces de
    crear los campos electromagnéticos necesarios, sin la
    necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas
    impensables,

  • sistemas de vacío, que permitan mantener
    las partículas en el conducto donde se mantienen las
    partículas, sin pérdidas del haz
    inadmisibles,

El Supercolisionador superconductor3 (SSC en
inglés) era un proyecto de un sincrotrón de 87 km
de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV.
Se abortó el proyecto en 1993.

Energias de Vertigo. Los haces de
partículas se aceleran wn una subcadena de anillos menores
hasta que alcanzan la energía de 0,45 tera
electron-voltios. De ahí pasan al gran acelerador del LHC,
donde alcanzan energias hasta siete tera electron-voltios. Una
tera de electron-voltios es aproximadamente la energía
cinetica es un mosquito volando. Aunque aparezcan una
energía pequeña lo extraordinario es que las
partículas que concentran esa energias en el LHC tienen un
volumen un billón de veces menor que el de un
mosquito.

Monografias.com

Formulas científicas

5.1 Ecuaciones de Lorentz

Véanse también: Ecuaciones de
Maxwell y Fuerza de Lorentz.

Monografias.com

Representación gráfica de la fuerza
de Lorentz(solo la parte debida al campo magnético,
representado con dirección perpendicular a la pantalla y
sentido hacia fuera de la misma).

Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones
básicas del electromagnetismo desarrolladas
por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy
sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en
cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones
(cuando se usan de forma separada) de Lorentz. La
ecuación puede escribirse de forma básica
como:

Monografias.com

La ecuación se traduce en que la
partícula recibe una aceleración que es
proporcional a su carga  los campos
eléctricos empujan a la partícula en
la dirección del movimiento, mientras que los
campos magnéticos curvan la trayectoria de la
partícula empujándola hacia el centro de una
circunferencia cuyo radio dependerá de la magnitud del
campo magnético, de la velocidad que posea la
partícula en ese momento y de su carga y masa.

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes
básicos que son (Vacío, Conducto del haz de
partículas, Componentes generadores de
fuerzas
)

Dipolos eléctricos. Se aplica una
diferencia de potencial, generando un campo
eléctrico Monografias.comentre dos placas o tubos. Esto hace que la
partícula se acelere, como entre dos fases de un
linac.

Dipolos magnéticos. Se crea un campo
magnético Monografias.com(generalmente de forma artificial mediante
bobinas) perpendicular a la trayectoria de la partícula de
forma que la curva. Por ejemplo entre las D de un
ciclotrón, haciéndola describir un arco de 180
grados para volver a la separación entre ambas.

Multipolos magnéticos. Se utilizan
para enfocar los haces de partículas, de modo
que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente
y se eviten pérdidas en el trayecto

5.2 Fundamentos Físicos

Un acelerador lineal está constituido por un tubo
muy largo dividido en porciones de longitud variable.

Monografias.com

Las secciones alternas del tubo se conectan entre
sí y se aplica una diferencia de potencial oscilante,
entre los dos conjuntos. En la figura, el potencial de las
porciones de tubo de color rojo es positivo y el de las de color
azul es negativo. Vamos a demostrar que para que el ión
esté en fase con el potencial oscilante, cuando pasa de
una porción del tubo a la siguiente, las longitudes de las
sucesivas porciones Ln deben cumplir la siguiente
proporción

donde L1 es la longitud de la primera.

Primera etapa

Monografias.com

Segunda etapa

Monografias.com

Tercera etapa

Monografias.com

Conclusiones

  • Los campos eléctricos aportan cambios en
    el módulo de la velocidad de la
    partícula, acelerándola o
    desacelerándola

  • Mientras que los campos magnéticos la hacen
    describir trayectorias curvas sin modificar su módulo
    (esto no es exactamente así, ya que las
    partículas perderán energía por
    la radiación sincrotrón, pero sirve como
    primera aproximación).

Referencias

Referencias Graficas de Papers:

[1]http://aula2.elmundo.es/aula/laminas/lamina1134988431.pdf

[2]
www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagne/movimiento

Referencias de Papers:

[3]HAYT, WILLIAM H. & BUCK, JOHN A. "TEORÍA
ELECTROMAGNÉTICA". SÉPTIMA EDICIÓN.
EDITORIAL McGrawHill. 2006.

[4]CHENG, DAVID K. "FUNDAMENTOS DE ELECTROMAGNETISMO
PARA INGENIEROS". EDITORIAL ADDISON WESLEY. 1997.

 

 

Autor:

Alexis Pucha Guayllazaca.

Docente: Ing. Rene Ávila

Monografias.com

Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

Todos los documentos disponibles en este sitio expresan los puntos de vista de sus respectivos autores y no de Monografias.com. El objetivo de Monografias.com es poner el conocimiento a disposición de toda su comunidad. Queda bajo la responsabilidad de cada lector el eventual uso que se le de a esta información. Asimismo, es obligatoria la cita del autor del contenido y de Monografias.com como fuentes de información.

Categorias
Newsletter