Acelerador de Particulas Funcionamiento y Aplicaciones

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  • 7/26/2019 Acelerador de Particulas Funcionamiento y Aplicaciones

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    Autores:

    Antonio Manuel Snchez Carrizo.

    Jos Pablo Medina Grande.

    ACELERADORESDEPARTCULAS:

    FUNCIONAMIENTOY

    APLICACIONESMQUINAS Y MOTORES TRMICOS II

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    ndice1. Introduccin.......................................................................................................................... 3

    2. Para qu sirven los aceleradores de partculas?............................................................... 3

    3. Aceleradores de altas energas............................................................................................ 4

    3.1. Aceleradores lineales................................................................................................... 4

    3.2. Aceleradores circulares................................................................................................ 5

    3.2.1 Ciclotrn................................................................................................................ 5

    3.2.2 Sincrotrn............................................................................................................. 6

    3.3 Aceleradores de mayores energas.............................................................................. 7

    4 Aplicaciones.......................................................................................................................... 8

    4.1. Televisin....................................................................................................................... 8

    4.2. Tratamientos mdicos ................................................................................................... 8

    4.3. Seguridad ....................................................................................................................... 8

    4.4. Investigacin fundamental........................................................................................... 8

    4.5. Investigacin aplicada.................................................................................................. 9

    4.6. Generacin de energa................................................................................................. 9

    4.7. Medio ambiente........................................................................................................... 9

    5. Bibliografa.......................................................................................................................... 10

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    ndice de imgenesImagen 1:Acelerador LHC situado en la frontera franco-suiza 3

    Imagen 2:patente de 1934 del ciclotrn, por Ernest Orlando Lawrence. 5

    Imagen 3:Imagen area del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores ms grandes delmundo. 6

    Imagen 4:Tnel del SSC (Superconducting Super Collider). Esta enorme instalacin iba a ser el

    mayor colisionador de partculas construido, pero su elevado sobrecoste hizo que el gobierno

    de EE.UU. cancelase finalmente el proyecto en 1993, quedndose inconcluso. 7

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    1. Introduccin

    El objetivo de este trabajo es obtener un conocimiento general sobre qu es un acelerador

    de partculas, qu tipos hay y cules son sus aplicaciones.

    2.

    Para qu sirven los aceleradores de partculas?Un acelerador de partculas es un dispositivo que utiliza campos electromagnticos para

    acelerar partculas cargadas hasta altas velocidades, y as, colisionarlas con otras partculas. De

    esta manera, se generan multitud de nuevas partculas que -generalmente- son muy inestables

    y duran menos de un segundo, esto permite estudiar ms a fondo las partculas que fueron

    colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos bsicos de aceleradores de

    partculas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catdicos de un televisor es una forma

    simple de acelerador de partculas.

    Los aceleradores de partculas imitan, en cierta forma, la accin de los rayos csmicos sobre

    la atmsfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partculas exticas e inestables. Sin

    embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho ms controlado para estudiar estas

    partculas generadas, y su proceso de desintegracin.

    Ese estudio de partculas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro til para el

    desarrollo de la medicina, la exploracin espacial, tecnologa electrnica, etctera.

    Hasta el siglo XX los fsicos an estudiaban las propiedades de la materia

    macroscpicamente. Fue a finales del siglo XIX que los cientficos mostraron inters por el

    mundo atmico y de las molculas. El estudio de estos elementos tan pequeos (del orden de

    10-10) considerados durante mucho tiempo los ladrillos fundamentales de la materia dieron

    lugar a partculas elementales y posteriormente a ms partculas subatmicas ms complejas.

    Algunos de los avances surgieron del estudio de los rayos csmicos (partculas subatmicas

    procedentes del espacio exterior y de alta energa) que marcaban un trazado en una emulsin

    fotogrfica o por anlisis espectrogrfico.

    El que los rayos csmicos fueran fenmenos inconstantes emergi en la necesidad de

    generadores de partculas energticas que fueran controlables para experimentar y simular

    con ellas. Estos generadores tendran que acelerar partculas como protones o electrones con

    una velocidad cercana a la luz. A finales de la dcada de 1920 surgieron los primeros proyectos

    de dichos generadores capaces de emular rayos csmicos: los aceleradores de partculas.

    Imagen 1: Acelerador LHC situado en la frontera franco-suiza

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    Si hay algn dispositivo que supera a los otros en lo que respecta a sus dimensiones y peso

    para el estudio de la fsica ste es sin duda el acelerador de partculas. El acelerador de

    partculas es un dispositivo capaz de aumentar la velocidad de partculas elementales e iones a

    altas energas para despus hacerlas chocar entre ellas o contra blancos estticos. Estas

    interacciones permiten a los fsicos estudiar el mundo subatmico y descubrir nuevas

    partculas.

    Las grandes dimensiones que pueden tener algunos aceleradores circulares son consecuencia

    indirecta de los efectos relativistas en la masa (aunque sea pequea) con velocidades cercanas

    a la luz. Un electrn con una energa de 1 MeV (1 milln de electronvoltios) tendr una masa

    tres veces ms grande que si estuviera en reposo (la masa tiende a infinito cuando la velocidad

    es muy cercana a la de la luz), siendo ste cada vez ms difcil de acelerar al tener que

    compensar, adems, la tendencia natural que tiene toda partcula a salir despedida de su

    rbita cuando aumenta su velocidad. Los aceleradores lineales tambin tienen que ser largos

    para imprimir una alta energa a los haces de partculas e iones.

    3.

    Aceleradores de altas energas3.1.

    Aceleradores lineales

    Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrnimo en ingls linac) de altas energas

    utilizan un conjunto de placas o tubos situados en lnea a los que se les aplica un campo

    elctrico alterno. Cuando las partculas se aproximan a una placa, se aceleran hacia ella al

    aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a travs de un agujero

    practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele

    la partcula, acelerndola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una

    sola partcula, sino un continuo de haces de partculas, de forma que se aplica a cada placa un

    potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua elproceso para cada haz.

    A medida que las partculas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversin de

    los campos elctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas, y por

    eso, en muy altas energas, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar

    de placas.

    Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partculas 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 estticatransportada mediante cintas.

    Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las

    partculas en los aceleradores circulares. El acelerador lineal ms largo del mundo es el

    colisionador electrn-positrn Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

    Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiociruga. Utilizan vlvulas

    klistrn y una determinada configuracin de campos magnticos, produciendo haces de

    electrones de una energa de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas tcnicas se

    utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un

    blanco de nmero atmico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de

    estos aparatos est haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.

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    Imagen 2: patente de 1934 del ciclotrn, por Ernest Orlando Lawrence.

    Dos aplicaciones tecnolgicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores

    son la Espalacin para la generacin de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia

    para la transmutacin de los istopos radiactivos ms peligrosos generados en la fisin.

    3.2.

    Aceleradores circulares

    Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja aadida a los aceleradores lineales al usar

    campos magnticos en combinacin con los elctricos, pudiendo conseguir aceleraciones

    mayores en espacios ms reducidos. Adems, las partculas pueden permanecer confinadas en

    determinadas configuraciones tericamente de forma indefinida.

    Sin embargo, poseen un lmite a la energa que puede alcanzarse debido a la radiacin

    sincrotrn que emiten las partculas cargadas al ser aceleradas. La emisin de esta radiacin

    supone una prdida de energa, que es mayor cuanto ms grande es la aceleracin impartida a

    la partcula. Al obligar a la partcula a describir una trayectoria circular realmente lo que se

    hace es acelerar la partcula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es

    inevitable que pierda energa hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidadmxima.

    Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiacin, a veces

    llamada luz sincrotrn. Esta radiacin se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energa,

    principalmente en estudios de materiales o de protenas por espectroscopia de rayos X o por

    absorcin de rayos X por la estructura fina (o espectrometra XAS).

    Esta radiacin es mayor cuando las partculas son ms ligeras, por lo que se utilizan partculas

    muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretenden generar grandes cantidades de

    esta radiacin, pero generalmente se aceleran partculas pesadas, protones o ncleos

    ionizados ms pesados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energas.

    Este es el caso del gran acelerador circular del CERN donde el LEP, colisionador de electrones y

    positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de hadrones.

    Los aceleradores de partculas ms grandes y potentes, como el RHIC, el LHC o el Tevatrn se

    utilizan en experimentos de fsica de partculas.

    3.2.1

    Ciclotrn

    El primer ciclotrn fue

    desarrollado por Ernest OrlandoLawrence en 1929 en la

    Universidad de California. En ellos

    las partculas se inyectan en el

    centro de dos pares de imanes en

    forma de "D". Cada par forma un

    dipolo magntico y adems se les

    carga de forma que exista una

    diferencia de potencial alterna

    entre cada par de imanes. Esta

    combinacin provoca laaceleracin.

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    Estos aceleradores tienen un lmite de velocidad bajo en comparacin con los sincrotrones

    debido a los efectos. Aun as, las velocidades que se alcanzan son bastante altas, llamadas

    relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades

    de energa (electronvoltios y sus submltiplos habitualmente) en lugar de unidades de

    velocidad. Por ejemplo, para protones, el lmite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo

    los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energas. Existen algunas mejorastcnicas como el sincrociclotrn o el ciclotrn sncrono, pero el problema no desaparece.

    Algunas mquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por

    ejemplo, el rodotrn).

    Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la produccin de radioistopos de uso

    mdico (como por ejemplo la produccin de Flor para su uso en los PET), para la esterilizacin

    de instrumental mdico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncolgicos y en la

    investigacin. Tambin se usan para anlisis qumicos, formando parte de los llamados

    espectrmetros de masas.

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

    3.2.2

    Sincrotrn

    Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el

    Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenz a operar en 1952, alcanzando

    una energa de 3 GeV.

    El sincrotrn presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los

    ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energas en las partculas

    aceleradas. Sin embargo, necesitan configuraciones de campos electromagnticos mucho ms

    complejos, pasando de los simples dipolos elctricos y magnticos que usan el resto de

    aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

    Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnolgicas e

    industriales, tales como y entre otras muchas:

    Imagen 3: Imagen area del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores ms grandes del mundo.

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    Imagen 4:Tnel del SSC (Superconducting Super Collider). Esta enorme

    instalacin iba a ser el mayor colisionador de partculas construido, pero suelevado sobrecoste hizo que el gobierno de EE.UU. cancelase finalmente el

    proyecto en 1993, quedndose inconcluso.

    el desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnticos

    necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo elctrico hasta cotas impensables,

    sistemas de vaco, que permitan mantener las partculas en el conducto donde se

    mantienen las partculas, sin prdidas del haz inadmisibles,

    superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las partculas en las distintas

    configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades dedatos generadas en los anlisis cientficos de los grandes aceleradores como el LHC.

    Al igual que en otras reas de la tecnologa de punta, existen mltiples desarrollos que se

    realizaron para su aplicacin en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de

    las personas. Quiz el ms conocido fue el desarrollo de la World Wide Web (comnmente

    llamada web), desarrollado para su aplicacin en el LEP.

    La nica forma de elevar la energa de las partculas con estos aceleradores es incrementar su

    tamao. Generalmente se toma como referencia la longitud del permetro de la circunferencia

    (realmente no forman una circunferencia perfecta, sino un polgono lo ms aproximado

    posible a esta). Por ejemplo, tendramos el LEP con 26,6 km, capaz de alcanzar los 45 GeV (91GeV para una colisin de dos haces en sentidos opuestos), actualmente reconvertido en el LHC

    del que se prevn energas superiores a los 7 TeV.

    3.3

    Aceleradores de mayores energas

    Existen varios proyectos para superar las energas que alcanzan los nuevos aceleradores.

    Estos aceleradores se espera que sirvan para confirmar teoras como la Teora de la gran

    unificacin e incluso para la creacin de agujeros negros que confirmaran la teora de

    supercuerdas.

    Para 2015-2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional, un enormelinac de 31 km de longitud, inicialmente de 500 GeV que se ampliaran hasta 1 TeV. Este

    acelerador utilizar un lser enfocado en un fotoctodo para la generacin de electrones. En

    2007 no se haba decidido an qu nacin lo albergara.

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    El Supercolisionador superconductor (SSC en su acrnimo ingls) fue un proyecto para la

    construccin de un sincrotrn de 87 km de longitud en Texas que alcanzara los 20 TeV. En

    1993 el proyecto se cancel despus de haber construido 23,5 km del tnel debido a su

    altsimo coste motivado por la gran desviacin sobre el presupuesto previsto. En 2006 las

    propiedades e instalaciones fueron vendidas a un grupo de inversin, estando el sitio en la

    actualidad en estado de abandono.

    Se cree que la aceleracin de plasmas mediante lseres conseguir un incremento

    espectacular en las eficiencias que se alcancen. Estas tcnicas han alcanzado ya aceleraciones

    de 200 GeV por metro, si bien en distancias de algunos centmetros, en comparacin con los

    0,1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias.

    4

    Aplicaciones

    4.1.

    TelevisinLos aceleradores de partculas proporcionan la energa necesaria para crear una imagenbrillante en la pantalla de los televisores antiguos. El acelerador de partculas real est situado

    en el tubo de los rayos catdicos (CRT). Los electrones empiezan al final del tubo. El CRT los

    acelera con electromagnetismo hasta que colisionan con la capa de fosfrico que se haya en la

    pantalla. En cada punto en el que colisionan, la pantalla brilla; esta pequea rea se llama

    pxel. Estos CRTs tambin se usan en los monitores antiguos de los ordenadores.

    4.2.

    Tratamientos mdicos

    Muchos tratamientos mdicos comunes se benefician del poder de los aceleradores departculas. Por ejemplo, los aceleradores de partculas se usan en mquinas de rayos x y en

    terapias de radiacin para el tratamiento del cncer. Los aceleradores lineales sonparticularmente importantes en el tratamiento del cncer porque suelen permitir a losdoctores tratar reas que son difciles de llegar con otros mtodos.

    Una de las tcnicas surgidas es la hadronterapia. Frente a la radioterapia, en la que sedestruyen las clulas cancergenas bombardendolas con fotones, la hadronterapia ataca altumor con protones. El fotn de la radioterapia, a su paso a travs del cuerpo, va perdiendoenerga que transmite a las clulas que encuentra en su camino. Aunque las clulascancergenas resultan ms daadas y tienen peor capacidad de recuperacin, las clulas sanasno resultan indemnes. Los hadrones concentran su energa en el lugar donde se detienen, algoque depende de su energa de partida y del tipo de tejidos que atraviesan. De esta manera, la

    accin de la terapia se puede concentrar sobre el tumor reduciendo los daos colaterales.

    4.3. Seguridad

    Los aceleradores de partculas proporcionan una alternativa no invasiva para la bsqueda decamiones o contenedores, y en los embarques en los aeropuertos. Los rayos X producidos porlos aceleradores de partculas se suelen usar para determinar tanto si los objetos en cuestinson lo que se supone que son como si hay cosas de contrabando escondidas en ellos.

    4.4. Investigacin fundamental

    Los cientficos utilizan los aceleradores de partculas para contestar algunas de las preguntasms difciles de la vida, como aquellas relacionadas con el origen del universo y la masa. Para

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    producir la informacin que necesitan para su investigacin, los cientficos usan aceleradoresde partculas increblemente grandes y potentes. Un ejemplo de un acelerador de partculasenorme es el Gran Colisionador de Hadrones localizado cerca de Ginebra, Suiza, un aceleradorcircular que est enterrado a ms de 800 metros de profundidad. A medida que los cientficosaprenden de los minsculos bloques de construccin de la materia, incrementan el

    conocimiento general de cmo funciona el mundo.

    4.5.

    Investigacin aplicada

    Adems de intentar entender el mundo que tenemos alrededor, los cientficos usan lainformacin obtenida de los aceleradores de partculas para hacer de este mundo un mejorlugar para vivir. Los cientficos intentan usar la investigacin dirigida hoy para proporcionar alas futuras generaciones mejores tratamientos de cncer, energa nuclear ms limpia, unmundo menos contaminado y ms.

    4.6.

    Generacin de energa

    Quizs el desarrollo reciente ms significativo en cuanto a las aplicaciones de losaceleradores sea el de la generacin de energa, donde en la actualidad se persigueactivamente este fin desde tres enfoques distintos.

    Uno utiliza los haces de partculas para comprimir ncleos atmicos tan apretadamente quellegan a fusionarse a la vez, emitiendo energa. Otro mtodo emplea un acelerador paraproducir muones, los cuales son inyectados en un tanque que contiene el combustible afusionar. Algunos de estos muones ocupan el lugar de los electrones en las rbitas atmicas, ycomo son 200 veces ms pesados que estos, obligan a los ncleos a fusionarse. Hasta elmomento, ambas tcnicas consumen ms energa de la que producen, pero cada vez se est

    ms cerca de alcanzar el equilibrio.

    La idea ms reciente, llamada Amplificador de Energa, fue inventada por el premio NbelCarlo Rubbia, que trabaja en el CERN. El Amplificador de Energa bombardear su objetivo(consistente en combustible nuclear) con un haz de protones de alta intensidad, provocandofisin nuclear y la liberacin de energa.

    Este mtodo brinda dos grandes ventajas. La primera, al contrario que en las centralesnucleares convencionales, es imposible que se d una reaccin en cadena, ya que sin elacelerador la reaccin se detiene. Segunda, ya que la tcnica es similar a la ATW, los residuosgenerados por las centrales nucleares de hoy en da, podran mezclarse con el combustible

    nuclear, para ir dividindolos en sustancias inocuas.

    4.7. Medio ambiente

    El almacenamiento de los residuos nucleares es uno de los principales inconvenientes de laenerga atmica, pero los fsicos que trabajan con aceleradores han propuesto una solucinque reducira la magnitud del problema. Consistira en bombardear los desechos nucleares conneutrones producidos en aceleradores. De esta manera, se produciran versiones ms ligerasde los tomos radiactivos del combustible de las centrales nucleares, que se degradaran a suvez en materiales relativamente inofensivos. Este proceso, conocido como transmutacin,permitira reducir el tiempo de actividad peligrosa de residuos que se pueden mantener

    activos durante 10 millones de aos a slo 300. Los partidarios de este tipo de tecnologa dicenque, adems, permitira reducir el volumen de los residuos enterrados.

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    5. Bibliografa

    https://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculas

    http://teresaversyp.com/contenidos/%C2%BFque-es-y-para-que-sirven-los-

    aceleradores-de-particulas/ https://es.wikipedia.org/wiki/Gran_colisionador_de_hadrones

    http://www.ehowenespanol.com/acelerador-particulas-info_392123/

    http://www.publico.es/ciencias/aplicaciones-practicas-aceleradores.html

    http://astroseti.org/miscelanea/archivo/son-utiles-los-aceleradores-de-particulas/

    http://metode.cat/es/revistas/monografics/radiaciones/petits-acceleradors-de-

    particules-per-aplicacions-mediques

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