Desde los inicios, en elhombre siempre ha existido ese deseo por descubrir, por aprender, por experimentar, sobre su entorno.
Los descubrimientos realizadossiguen creciendo día con día, paso a paso, basados en conocimientos preliminares, siendo descartados o reforzados por los nuevos ideales.
En este Blog trataremos el tema delos aceleradores que como lo menciona Andrade E, investigador de la UNAM en México;iniciaron con el descubrimiento de la radiactividad por parte de Henry Becquerel, de la mano con Pierre y Marrie Curie, así mismo otros grandes científicos como lo sonRutherford, Thompson, Millikan con sus aportes del átomo y muchos otros más.
El primer acelerador de partículas fue inventado por parte de los científicos ingleses Cockcrofty Walton, quienes en el año de 1932, generaron un haz de protones de bajas energías y lo usaron para bombardear isótopos de litio
Después de la construcción del primer acelerador, en la misma década de los 30, se inventaron otros tipos de aceleradores tales como el ciclotrón, los Aceleradores lineales y los aceleradores tipo Van de Graaff.
Los aceleradores están muy asociados a los laboratorios nucleares por la transmutación o reacciones que podían generar.
En la actualidad tienen una gran importancia en diferentes campos como la física atómica "el mundo de los electrones " y en las partículas elementales, en medicina se usan tanto en los departamentos de radiología, para destruir tumores malignos, como para producir radioisótopos que se utilizan en el diagnóstico de enfermedades (medicina nuclear). y el más conocido es en la industria de los semiconductores y del núcleo-electrónica, las cuales se usan un tipo especial de aceleradores conocidos como “implantadores” con los que es posible producir los "chips electrónicos", circuitos integrados, etc.
El interés por conocer la constitución de la materia llevó a los científicos a no solo formular teorías, sino a intentar demostrarlas. En su intento, evolucionaron las máquinas que fueron construyendo, con las cuales, hoy día nos ha permitido obtenido una mejor comprensión de nuestro universo.
¿Cómo se ha dado esa evolución?
La evolución de estos aceleradores (Historia gráfica de los aceleradores de partículas, sf), podemos citar los siguientes acontecimientos:
El primer acelerador de partículas de 500 Kilovolts fue construido en la Universidad de Cambridge por Cockcroft y Walton en 1932.
A partir de este punto se han ido construyendo diferentes aceleradores como el acelerador de 2.7 MeV desarrollado por Robert Van Graaff e instalado en la Universidad de Massachusetts en 1937. Podemos mencionar también el acelerador electroestático de 2 MeV tipo Van de Graaff pertenecientes a la Universidad Nacional Autónoma de México en 1952 o el acelerador Tandem en el laboratorio del Centro Nuclear en México.
La evolución de estos aceleradores se reafirma en la construcción del primer Ciclotrón que fue diseñado en el año 1932 por Lawrence y Livingston el cual funcionó en la Universidad de California.
Igualmente el primer Cosmotrón de 3 GeV que funcionó en los Laboratorios Nacionales de Brookhaven en Nueva York.
Muy importante, el acelerador lineal de Stanford, que tiene una longitud de 3.2 Kilómetros con una gran capacidad para producir electrones y protones de energía muy alta.
En 1954 crea el CERN, el cual funciona actualmente, y a partir de 1958 se construye el primer sincrotrón de protones de 28 GeV en Ginebra, en los laboratorios propios del CERN.
La historia de la elaboración de aceleradores de partículas se puede observar en la siguiente grafica, llamada gráfica de Livingston.
(Historia gráfica de los aceleradores de partículas, sf)
Un acelerador de partículas constituye un gran anillo hueco en el que se utilizan grandes fuentes de corriente eléctrica y e imanes en los que se introducen partículas como electrones,iones o protones. Las partículas se aceleran a velocidades hasta el 99% de la velocidad de la luz y colisionan a las más altas energías que el hombre conoce. Lo importante de estas máquinas es que se pueden crear nuevas partículas cuya vida media es ínfima pero suficientes para poder estudiarlas (Brain. sf.)
2)COMPONENTES BÁSICOS DE UN ACELERADOR
Los componentes elementales de un acelerador de partículas son los componentes generadores de fuerza (dipolos eléctricos, dipolos magnéticos y los multipolos magnéticos), los blancos y los detectores (Guaraca, sf).
a)Componente generador de fuerzas
Dipolos Eléctricos: estos aplican una diferencia de potencial lo cual genera un campo eléctrico entre dos placas lo cual sirve para acelerar los partículas.
Dipolos Magnéticos: la función es crear un campo magnético perpendicular a la trayectoria de la partícula de forma que la curva.
Múltiplos Magnéticos: la función de estos múltiplos es enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejercer acciones más eficiente sobre las partículas lo cual evita la pérdida de ellas en el trayecto.
b)Los blancos:
Los blancos constituyen zonas donde las partículas impactan generando más partículas secundarias.
Estos blancos pueden ser fijoscuando la partícula impacta sobre un blanco inmóvil, también pueden ser móviles cuando el blanco se encuentra en movimiento.
c)Detectores:
Los detectores son aparatos construidos con el fin de ver las partículas generadas en el impacto contra el blanco, en otras palabras actúan como los ojos de los científicos.
El LHC está equipado con cuatro estaciones, ALICE, ATLAS, EL CMS, el LCHb capaces de filtrar los datos observados para ser analizados por un gran ordenador llamado GRID (Brain, sf).
El detector ALICE
3)PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los aceleradores de partículas (Barranco, 2011), tienen funciones como:
- Incrementar la energía de las partículas
-Guiar y focalizar las partículas a lo largo de la trayectoria definida.
Otras funciones(Sears & Young, 2005) que se describen son
-Explorar la estructura interna, en pequeña escala de otras partículas -Producir reacciones nucleares con diversas aplicaciones médicas y científicas.
Pero, ¿Cómo funciona un acelerador de partículas?
El siguiente video nos muestra un experimento muy sencillo sobre el funcionamiento de un acelerador lineal utilizando los siguientes materiales:
-Tubo de PVC
-Carril de aluminio
-5 Bolas de acero
-Imán.
El video nos muestra como se acelera una partícula de acero al inducir un campo magnético. En los grandes aceleradores de partículas se puede utilizar también un campo eléctrico, o una mezcla de ambos formando un campo electromagnético.
El funcionamiento de un acelerador se puede explicar mediante el análisis de la ecuación de Lorentz.
F= q (E + vxB)
De la ecuación anterior se desprende que el funcionamientode un acelerador de partículas requiere deun campo eléctrico para acelerarlas. La energía es el electrón-voltio, en la que 1 eV es la energía ganada por un electrón al atravesar una diferencia de potencial
La partícula al ingresar a un campo electromagnético experimenta una fuerza (F), q es la carga de la partícula cargada, B corresponde al campo magnético y v la velocidad de la partícula.
Se ha establecido que la aceleración de la partícula es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa. La función de los campos eléctricos empuja a la partícula según su carga y la dirección del campo eléctrico en la dirección del movimiento.
Los campos magnéticos produce cambios en la velocidad de cada una de las partículas ya sea acelerándola o desacelerándola y permitiéndole describir trayectorias curvas pero sin modificar su módulo de velocidad.
¿Cómo se generan las partículas?
Las partículas se pueden generar de diferentes maneras (¿Que es un acelerador de partículas?, sf).
La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Este se puede hacer de dos maneras, la primera se hace calentando un filamento hasta su incandescencia o haciendo pasando una corriente eléctrica por él, un segundo método es enfocar un láser en él.
Esto lo que logra es que aumente la probabilidad de que un electrón abandone momentáneamente una superficie. El campo electromagnético acelera el electrón desprendido gracias a la diferencia de potencial.
Para generar protones es necesario ionizar átomos de hidrógeno, lo cual se realiza acelerando electrones de la manera descrita anteriormente contra una válvula rellena de gas hidrógeno. Aplicando nuevamente una diferencia de potencial se obtendrán electrones acelerados y protones acelerados.
También se pueden generar antipartículas, por ejemplo los positrones cuando se hace incidir fotones sobre con una cierta cantidad de energía sobre un blanco específico como oro o tungsteno.
Los últimos años los científicos están muy interesados en generar neutrones para utilizarlos en máquinas de transmutación los cuales se obtienen a partir de protones acelerados e impactados en los blancos.
Lo importante de ello es que obtenemos un mejor conocimiento de nuestro universo con aplicaciones prácticas para el tratamiento médico de enfermedades como el cáncer.
4)TIPOS DE ACELERADORES
Durante nuestra historia se han construido diferentes tipos de aceleradores de partículas. Algunos de estos tipos son el acelerador de baja energía,los aceleradores de altas energías, aceleradores de mayores energías, los aceleradores lineales, los aceleradores circulares donde podemos destacar el ciclotrón y el sincrotrón (acelerador de partículas, sf).
Acelerador lineal de bajas energías: este acelera partículas a través de un tubo de rayos catódicos, son ejemplos comunes de ello los televisores y los generadores de rayos x.
Acelerador lineal de altas energías:
Estas utilizan un conjunto de placas que se les aplica un campo eléctrico las cuales aceleran las partículas.
Acelerador lineal de Stanford
Aceleradores circulares: presentan un aventaja sobre los aceleradores lineales ya que utilizan campos magnéticos en combinación con los magnéticos para producir aceleraciones mayores. Podemos encontrar dos tipos de aceleradores circulares: el sincrotrón y el ciclotrón, último el cual sobresale el gran colisionador de Hadrones construido bajo la superficie de Ginebra construido por el CERN, cuyo objetivo es el choque de protones para generar nuevas partículas en especial la del boson Higgs cuya existencia se desconoce aún (Brain, sf
CERN (Organización Europea de Investigación Nuclear)
El CERN es una organización de investigación que opera un Laboratorio Europeo de Física de Partículas, el cual se encuentra en Suiza, cerca de Ginebra,y muy cerca a la frontera con Francia. Fundadoen 1952 con el objetivode establecer una organización de clase mundial fundamental a la investigación en física en Europa y es uno de los centros más grandes y respetados del mundo para la investigación científica. Desde ese momento se ha enfocado a lainvestigación de la física, centradoen la comprensión del interior del átomo (física de partículas) por lo cual,cuenta con una serie de aceleradores de partículas, además el estudio de los constituyentes fundamentales de la materia y las fuerzas que actúan entre ellos. (CERN- La Organización Europea de Investigación, sf)
El CERN además deproducir resultados científicos de gran interéscon los aceleradores de partículasha tenido gran éxito en eldesarrollo de nuevas tecnologías tanto informáticas como industriales. (Wikipedia,sf)
a. Investigación nuclear CERN
1.Aceleradores del CERN
La Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) cuenta con los más avanzados aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, y las instalaciones para la producción de formas exóticas de la materia, incluyendo la anti materia.
Dicha organización haestablecido una reputación en la vanguardia de la investigación, probada a través de sus experimentos, pasados y presente . El mismo Laboratorio es un vibrante lugar de encuentro para la discusión y el debate, alrededor de la mitad de los físicos de partículas del mundo visitan el laboratorio para sus investigaciones. Esto se refleja en los experimentos, los cuales son por lo general a cargo de la colaboración internacional, que reúne a equipos de físicos de diferentes instituciones hacia una meta común. (CERN- La Organización Europea de Investigación,sf)
b. Experimento en el CERN
2. Acelerador de Hadrones
El Gran Acelerador de Hadrones es una enorme y compleja instalación construida bajo tierra en el gran Laboratorio CERN, destinado a reproducir en la Tierra enormes descargas de energía parecidas a las que se produjeron en los orígenes del Universo, para conocer mejor de qué está hecha la materia. (El HCL, sf)
El LHC, es el acelerador del mundo más grande y poderoso de partículas, conocido como la última adición a de aceleradores de CERN. Consiste fundamentalmente en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores con una serie de estructuras de aceleración para incrementar la energía de las partículas a lo largo del camino.
c. Colisionador de Hadrones
En el interior del acelerador, dos haces de partículas viajan casi a la velocidad de la luz con muy altas energías antes de chocar unos con otros
Se trata del acelerador de partículas utilizado por los físicos para estudiar las partículas más pequeñas conocidas - los bloques fundamentales de todas las cosas. Que va a revolucionar nuestra comprensión, desde el minúsculo mundo de las profundidades de los átomos a la inmensidad del Universo. (CERN- La Organización Europea de Investigación,sf)
d. Túnel del acelerador
El LHC, como otros aceleradores de partículas, recrea el fenómeno natural de los rayos cósmicos en condiciones de laboratorio controladas, lo que les permite ser estudiados en más detalle.Los rayos cósmicos son partículas producidas en el espacio exterior, algunos de los cuales se aceleran a energías muy superiores a las del LHC.La energía y la velocidad a la que llegan a la atmósfera de la Tierra se han medido en experimentos durante 70 años.Durante miles de millones de años pasados, la naturaleza ya ha generado en la Tierra tantas colisiones como un millón de experimentos del LHC - y el planeta todavía existe. Los astrónomos observan una enorme cantidad de grandes cuerpos astronómicos en todo el Universo, todos los cuales también son golpeados por los rayos cósmicos.
Por otra parte el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) puede alcanzar una energía que no otros aceleradores de partículas ha alcanzado antes, pero la naturaleza produce habitualmente energías superiores en colisiones de rayos cósmicos. Las preocupaciones sobre la seguridad de lo que pueda ser creado de tal colisiones de partículas de alta energía se han abordado durante muchos años. A la luz de nuevos datos experimentales y la comprensión teórica, el LHC Safety Assessment Group (LSAG) ha actualizado una revisión de los análisis realizados en el 2003 por el Grupo de Estudio de la seguridad del LHC, un grupo de científicos independientes. (colisionador de partículas, sf)
Los aceleradores lineales como el Stanford Linear Acelerador (SLAC) son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.
Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.
El estudio de partículas y la utilización de aceleradores de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, etcétera.
Es importante contar con un acelerador lineal, este cuenta con ciertas características que lo diferencian de otros aparatos. Cuenta con diferentes rangos de energía utilizando la unidad mV. Permite tratar tumores a diferente profundidad disminuyendo algunos efectos secundarios.
Brinda la capacidad de tratar tumores en diferentes ángulos, sin la ayuda de protecciones externas con el beneficio del Colimador Multihojas.
Se requiere menos tiempo de tratamiento en comparación con los equipos de cobalto.
Los aceleradores de partículas llamados ciclotrones solamente se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono. Pueden utilizar varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias. Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico (como por ejemplo la producción de 18F), para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación. También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados espectrómetros de masas.
El sincrotrón es un instrumento tecnológico aplicable enconstruirmateriales cerámicos, conductores e instrumentos ópticos de precisión. Sus aplicaciones serán útiles para la industria farmacéutica, el diseño de microcircuitos, el estudio de tejidos vegetales y el tratamiento de tumor.
El colisionador de Hadrones (LHC) aporta datos experimentales que complementen la comprensión del mundo. Por lo tanto la información que se obtenga del colisionador servirá para comprender las diversasáreas de la física.
Irene Navarro Chaves
Los aceleradores de partículas se consideran útiles para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, entre otras áreas. En el área de la medicina permite tratar tumores a diferente profundidad disminuyendo efectos secundarios, se utiliza radioterapia para eliminar tumores o disminuir su tamaño, de esta manera se da una esperanza permitiendo que las personas que padecen de cáncer tengan una esperanza de recuperación y de vida.
Gracias a la utilización de los aceleradores de partículas se produjeron múltiples aparatos tecnológicos que forman parte de la vida cotidiana de las personas en diferentes áreas.Se realizó la construcción del televisor, además del microondas, la utilización de energía nuclear. Los aceleradores permiten la manipulación de energía y de partículas regulando su radiación; además permiten avanzar procesos de investigación para mejorar la calidad de vida de las personas.
Brian Muñoz Chaves
Los aceleradores de partículas constituyen herramientas muy importantes construidas por el hombre para el estudio de la materia a escala microscópica, su funcionamiento radica en acelerar una partícula elemental hasta alcanzar velocidades enormes, incluso al 99% de la velocidad de la luz. Los aceleradores de partículas han venido evolucionando desde aceleradores lineales hasta los aceleradores circulares, desde la utilización de campos eléctricos hasta el uso de imanes para inducir además campos magnéticos mejorando la eficiencia de dichas máquinas.
El choque de partículas entre sí, en direcciones opuestas o en los llamados blancos permite la generación de nuevas partículas que son observadas por los detectores esperando la creación de nuevas que permitan una mejor comprensión de nuestro universo.
Desde que el hombre se preguntó ¿Qué es la materia? ¿De qué está compuesta?, ¿Cómo se forma? ¿Será la materia que observamos toda la que existe? ¿Como sucedió todo? ¿Cuál es el principio y el fin? El ser humano a través de los años ha desarrollado tecnología que supera los límites de la imaginación convirtiendo lo menos inimaginable en posible, un acelerador de partículas ha permitido el estudio de las partículas elementales que constituyen la materia brindándonos respuestas a estas y muchas otras incógnitas especialmente sobre el universo, sin embargo el misterio sobre su comprensión no ha sido alcanzada completamente. Está claro que falta mucho trabajo, experimentos e investigaciones por realizar. No en vano el conocimiento que ha traído al hombre ha sido aplicado en múltiples funciones, desde aplicaciones prácticas muy sencillas como el televisor hasta usos complejos como el tratamiento del cáncer en la medicina.
Karla Morera González
El ciclotrón es un invento que vendrá a dar grandes aportes en el diagnóstico y el tratamiento de diferentes tipificaciones del cáncer, fallas metabólicas y otras más,permitiendo a los individuosmejorar su calidad de vida, evitando cirugías innecesarias o tratamientos devastadores.
En Costa Rica se busca implementar la tecnología de los aceleradores de partículas, de la mano de la UCR, la CCSS el Ministerio de Salud y la Agencia Internacional de Energía Atómicapor la alta incidencia de patologías cancerígenas, no solo en nuestro país sino en las zonas cercanas a él, siendo un pionero en la búsqueda de la salud de sus pobladores y de la región centroamericana.
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