Acelerador lineal

Un acelerador de partículas lineal es un dispositivo eléctrico para la aceleración de partículas subatómicas que posean carga eléctrica, tales como electrón, positrón, protón o ion.

Desarrollo del acelerador lineal

Principo de construcción de un acelerador lineal según Ising y Wideröe

Antiguamente las partículas se aceleraban mediante un voltaje continuo, pero pronto se observó que al aumentar el voltaje, se producía una descarga eléctrica con el medio que impedía tales aumentos de voltaje.

Por lo tanto, se buscaron alternativas al principio de generar la aceleración con corriente continua. Gustav Ising sugirió el acelerador lineal basado en un voltaje alternante y Rolf Wideröe desarrolló tal concepto por primera vez en el año 1928. Este tipo de acelerador se compone de numerosos elementos de aceleración, los tubos de empuje. Entre los tubos de empuje individuales se encuentra una columna en la cual existe un campo eléctrico pulsante. La frecuencia de la pulsación es tal que las partículas que la atraviesan siempre se aceleran, con lo cual aumenta su energía cinética en pequeños saltos. El tubo de empuje actúa como una caja de Faraday. El campo se conmuta mientras la partícula pasa el tubo de empuje, de tal forma que cuando la partícula llega, un campo la vuelve a acelerar. De esta forma, las partículas se aceleran a energías que no se pueden alcanzar con un único elementos de aceleración.

Un acelerador de partículas líneal moderno es básicamente un cilindro que constituye una guía de ondas, en la cual viaja una onda electromagnética. Consiste de:

• Una fuente de partículas
• Una fuente de alto voltaje para la inyección inicial de las partículas
• Un tubo hueco en el que se hace el vacío. Su longitud depende de las aplicaciones. Si es para la producción de rayos X, su longitud es de 1 a 2 metros.
• Electrodos cilíndricos aislados eléctricamente. Su longitud depende de la distancia en el tubo, así como del tipo de partícula a acelerar y de la potencia y la frecuencia del voltaje aplicado. Los segmentos más cortos están cerca de la fuente y los más largos, al otro extremo.
• Fuentes de voltaje alterno, que van a alimentar a los electrodos.
• Un objetivo adecuado. Si se aceleran electrones para producir rayos X, entones se usa una placa de tungsteno enfriada por agua. Si se aceleran protones u otros iones, se usan diferentes materiales según la investigación a realizar.
• Se pueden requerir lentes magnéticas y eléctricas adicionales para mantener el haz focalizado en el centro del tubo y los elementos aceleradores.
• Los aceleradores muy largos pueden precisar el alineamiento de sus componentes mediante servos y un haz de láser como guía.

Su tamaño va desde un tubo de rayos catódicos de un televisor hasta el acelerador lineal de Stanford, California, de 3 kilómetros de longitud.

Instalaciones de aceleradores lineales

Se pueden encontrar diferentes instalaciones de aceleradores lineales:

• inyector en un sincrotrón de energías más altas en un laboratorio experimental de física de partículas.
• Desde un punto de vista práctico:
  • la generación de radiografías en hospitales,
  • terapia a base de rayos X contra tumores cancerígenos
  • pruebas del estado de materiales

Aceleradores lineales en experimentos de altas energías

En la investigación física se suelen usar aceleradores de anillo tales como el LEP y el recientemente inagurado LHC ambos del CERN, en los cuales dos haces opuestos se hacen colisionar en los puntos donde se encuentran los detectores. Esta configuración es adecuada para electrones y positrones, pero no para otros casos pues las pérdidas energéticas por radiación de sincrotón impiden alcanzar energías más altas de colisión. El acelerador lineal de colisiones de Stanford (conocido como SLC por sus siglas en inglés) es un acelerador. Existen otros estudios para construir el Colisionador lineal internacional (ILC) y el colisionador lineal compacto (CLIC).