Aceleradores de Particulas FÍS.

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Física

Existen dos principales tipos de dispositivos suminis, tradores de corrientes rápidas de electrones, iones y otros proyectiles subatómicos (V. PARTÍCULAS ELEMENTALES). En uno de ellos pueden incluirse todos los sistemas en que tales partículas son aceleradas por intensos campos eléctricos estacionarios a lo largo de trayectorias sensiblemente rectilíneas y de un modo continuo (análogamente al fusil, en el que la expansión de los gases de la pólvora acelera el proyectil dentro del cañón). En el otro, se agrupan todos los métodos de sincronismo eléctrico y magnético en que se emplea un campo magnético para incurvar las trayectorias de las partículas en forma espiral o circular, suministrándoles energía en múltiples impulsos sucesivos del mismo sentido y ritmados correctamente, gracias al valor máximo de un intenso campo eléctrico alternativo. Los dispositivos del primer tipo se caracterizan (en sus diversas variantes) por las altas tensiones aplicadas (generadores electrostáticos, de impulsos, etc.); en todos ellos, las trayectorias de las partículas son suficientemente estables, pero las energías alcanzadas no llegan a los 10 millones de electrónvoltios (eV). Los llamados a. lineales presentan la gran ventaja de no exigir tensiones muy elevadas para su funcionamiento y de ellos nos ocuparemos en seguida.

Generadores electrostáticos. Poseen dos grandes ventajas sobre los a. circulares o de resonancia magnetoeléctrica, a saber: 1) la diferencia de potencial que suministran es estable, continua y medible con precisión; 2) las partículas aceleradas por ellos poseen energías muy análogas (constantes y uniformes), lo que constituye un dato de gran importancia en muchas cuestiones de Física nuclear y es absolutamente indispensable para medidas de precisión. Una variante de esta técnica es la del generador de impulsos (fig. 1) en el que un conjunto de baterías de condensadores se cargan en paralelo y automáticamente se descargan en serie mediante rectificadores, obteniéndose una tensión total múltiplo de la del generador T (relativamente baja) empleado para la carga de los mismos. Cockroft y Walton en Inglaterra, con este montaje, en 1932 aceleraron protones, imprimiéndoles una energía del orden de los 800.000 eV. Hace una treintena de años, los físicos norteamericanos van der Graaff, Compton y van Atta construyeron un potente generador electrostático de banda, consistente en uno o dos grandes electrodos esféricos (de algunos metros de diámetro) montados sobre columnas aislantes (pírex), llegándose a obtener entre aquéllos diferencias de potencial de varios millones de voltios. En la fig. 2 se ve, en la parte alta, el gran electrodo esférico en el que penetra la banda o cinta sin fin (de seda o papel especial) que gira entre dos poleas que la sostienen según indica el esquema. Al circular la mencionada banda frente a la punta o peine PI mantenido a una diferencia de potencial fija (positiva en el caso de la figura) respecto a tierra, mediante el generador auxiliar Gl, las cargas que pasan de Pl a la banda son transportadas por ésta, y transferidas mediante P2 al electrodo esférico E. La carga que puede almacenarse así en E y, por tanto, el potencial que se alcanzará, están sólo limitados por dificultades de aislamiento. Mediante un tubo de descarga suplementario se provoca la corriente de iones gaseosos, acelerados por el intensísimo campo :que se establece entre E y tierra o entre dos electrodos como el E cargados con signo contrario.

Hoy día se emplean mucho los a. van der Graaff de dos o tres etapas en tándem, cuyo esquema reproduce la fig. 3 y que funcionan como sigue: el haz de iones positivos procedentes del generador iónico atraviesa un tubo en el que una corriente de hidrógeno provoca la sucesiva adición de dos electrones a aquellos iones transformándolos en negativos. A continuación un campo magnético desvía el haz iónico, introduciéndolo en otro tubo acelerador y a la salida penetra en un van der Graaff en cuya entrada existe un tubo captador de electrones, con lo que los iones se transforman nuevamente en positivos por la acción de un gas apropiado. Después de esta segunda etapa aceleradora, el haz iónico positivo es desviado un ángulo recto de su dirección, mediante un sistema mag. nético analizador, antes de penetrar en uno de los múltiples canales (por medio de otro conmutador magnético) para ser dirigido a uno de los blancos de la sustancia que debe someterse al bombardeo iónico. La fig. 4 reproduce una vista de un a. con tres etapas, en tándem, de partículas neutras. Obsérvese la presencia del canal neutralizador.

Aceleradores lineales. En 1929, R. Widerde ideó un dispositivo acelerador de partículas eléctricas que esencialmente consistía en un largo tubo de vidrio rectilíneo, en cuyo interior y coaxialmente con él, se habían dispuesto en fila un cierto número de electrodos cilíndricos de longitud creciente, separados por pequeños intervalos (fig. 5) conectados alternativamente a los terminales de un generador de relativamente alta tensión y alta frecuencia. Su funcionamiento es como sigue: las partículas emitidas por el manantial serán atraídas por el primer electrodo de la izquierda, durante el semiperiodo adecuado de la tensión de alta frecuencia y si la longitud de aquél es tal que al salir la partícula se invierte la tensión, aquélla será atraída por el segundo electrodo, aumentando su energía y así sucesivamente se reproducirá este proceso, hasta salir por el último electrodo con una energía igual a q(V.+nVm), siendo q la carga de la partícula, Vo su tensión inicial, V,u la tensión de pico de alta frecuencia y n el número de electrodos. Se demuestra que la longitud h del primero de ellos, para que se produzca el fenómeno, está relacionada con la pulsación w de la frecuencia de la tensión de cresta VM por la ecuación Wh

=7r

2q m

Sloan y Lawrence fueron los primeros (en 1931) que emplearon un acelerador de este tipo, con el que obtuvieron iones de Hg de 1 MeV y aunque posteriormente se

han llegado a obtener protones de 300 MeV, el rendimiento de estos a. es muy bajo, pues sólo se aprovecha una pequeñísima fracción (del orden de 10’) de los iones entrantes. A pesar de ello, se siguen empleando cada vez más potentes (con la abreviatura linac), sobre todo para la aceleración previa de partículas antes de ser inyectadas en los potentísimos a. circulares actuales como el ciclotrón o sus derivados (sincrotrón), que vienen funcionando en Orsay (París), CERN (Ginebra), Brookhaven (USA), Sherpujov (Rusia), etc. El más potente a. lineal existente hoy es el de Stanford (USA), inaugurado hace pocos años y cuya longitud total es de 3,1 Km. (acelera electrones hasta 700 MeV). El propio E. O. Lawrence en 1931, acuciada seguramente por el problema que plantea la excesiva longitud de estos a. cuando deben suministrar altas energías, tuvo la feliz idea de hacer atravesar a las partículas, repetidamente el mismo intervalo entre sólo dos únicos electrodos aceleradores de relativamente pequeñas dimensiones, dispositivo al que dio el nombre de ciclotrón. En él, dichos electrodos, llamados D (por su parecido con esta letra) están constituidos (fig. 6) por las dos mitades, de una caja cilíndrica de poca altura, sobre cuyas bases se apoyan las piezas polares planas de un potente electroimán, que crean un campo magnético perpendicular a las D, obligando así a las partículas emitidas por un manantial M (situado en el centro del intervalo entre electrodos), a describir órbitas circulares (según las reglas del electromagnetismo), cuyo diámetro va aumentando al adquirir energía las partículas cada vez que atraviesan el espacio entre electrodos. Aplicando a éstos una diferencia de potencial alterna de alta frecuencia apropiada (millones de ciclos por segundo), se consigue que las partículas reciban el impulso acelerador al salvar la separación entre electrodos dos veces en cada vuelta de la espiral descrita por las partículas, hasta llegar a la periferia de las D, de donde pueden ser extraídas para su ulterior aplicación cinética. El ciclotrón funciona bien hasta energías de algunos MeV (106 eV), pero ya a 10 MeV el protón lleva una velocidad igual a la séptima parte de la de la luz y, según la teoría de la relatividad (v.), su masa aumenta en 1 % y lo mismo ocurre al tiempo necesario para que las partículas den una vuelta completa; por consiguiente, al cabo de un centenar de las mismas, los protones quedan desfasados (retrasados) sin poder cumplir las condiciones teóricas necesarias para que continúe el proceso acelerador. Para alcanzar los 10 MeV con un centenar de vueltas, la d.d.p. aplicada a las D excede de los 50.000 voltios, y si a las partículas debe imprimírseles mayores energías, hay que conseguirlas cada vez con menos vueltas, lo que requiere, a su vez, la aplicación de tensiones crecientes. Con este primitivo diseño del ciclotrón, la energía de unas docenas de MeV para los protones, constituye el límite superior alcanzable, mientras que para los deuterones tal límite es de unos 24 MeV.

A pesar de este obstáculo, Lawrence no se arredró y después de fructuosas investigacionel, la barrera relativista fue vencida en sus laboratorios de la Univ. de California en 1945, gracias a la modulación de frecuencia, cuyo principio es como sigue: Puesto que los protones, al aumentar su energía, requieren más tiempo para describir sus órbitas, se consigue mantener su sincronismo con la frecuencia del campo acelerador, disminuyéndola asimismo convenientemente hasta que el grupo de protones monoenergéticos, después de completar su espiral, sale por la periferia de la D, para chocar contra el blanco. Entonces vuelve a aumentarse la frecuencia, para acelerar otro grupo de protones nuevamente emitidos por el mismo manantial central, que describirán, asimismo, sus trayectorias espirales, pero de ellos sólo se consigue aprovechar un 2%, sacrificándose así la intensidad del haz protónico en aras de su energía, que puede llegar a ser del orden de los 100 MeV.

Existen más de una docena de sincrociclotrones (como se llaman los ciclotrones de este tipo), uno en el CERN(Ginebra) de 600 MeV y otro de 700 MeV en Dubna (Rusia); aunque podrían conseguirse energías más altas, su coste aumenta extraordinariamente y el duplicar la energía requiere un electroimán cuyo peso sería unas cuatro veces mayor que el actual, ocurriendo probablemente lo mismo con su coste.

Supongamos, ahora, que en vez de obligar a las partículas a describir órbitas espirales de radio creciente, se las mantiene circulando por una trayectoria circular fija, aumentando la intensidad del campo magnético para que sigan sobre la misma al aumentar su velocidad. En este caso no es necesario que el campo magnético abarque todo el círculo encerrado por aquella trayectoria, sino el grosor de ésta solamente; esta idea, que condujo al empleo de campos magnéticos de menor área y, por tanto, menos costosos que los anteriores, se materializó en el a. denominado sincrotrón (pues en él se sincroniza el aumento de intensidad del campo magnético con el de la velocidad de las partículas aceleradas). Éstas circulan por el interior de un tubo o galería anular (en el que se mantiene el vacío), bajo la acción de un intenso campo acelerador de radiofrecuencia.

El sincrotrón. El fundamento del sincrotrón fue publicado por primera vez en 1945, independientemente por E. M. McMillan en USA y por V. Veksler en la URSS., siendo utilizado principalmente para la aceleración de electrones. Pero en 1943, L. Oliphant (Gran Bretaña) había ya propuesto un sincrotrón de protones, iniciándose en Birmingham los trabajos para su montaje poco después de finalizar la II Guerra mundial, aunque no entró en funcionamiento hasta 1953, con una energía de 109 eV (1 BeV). El cosmotrón (una variante de esta máquina), cuya construcción comenzó en 1948 en el Brookhaven National Laboratory, suministraba la energía de 109 eV en 1952 y desde 1954 se elevó al triple, cifra que pronto fue rebasada por el bevatrón, montado en Berkeley (California), que alcanzó los 6. 109 eV; los protones con esta energía llevan una velocidad sólo un 2% menor que la de la luz. En 1959 el sincrotrón instalado en Dubna (cerca de Moscú) suministraba 10. 109 eV y al año siguiente se conseguían nuevos récords con los a. de 30.109 eV de Brookhaven (USA) y del CERN, cuya potencia respectiva es de 30109 y 28.109 eV, siendo de 240 y 200 m. el diámetro de sus pistas subterráneas, ya que ésta es la dimensión que determina la energía de los protones que por aquéllas circulan a velocidades fantásticas (así, en el cosmotrón los protones dan unos cuatro millones de vueltas antes de salir al exterior, equivalentes a un recorrido de unos 200.000 Km.).

Sin poder entrar en pormenores de estas complicadas instalaciones, es de notar el dispositivo de enfoque de las partículas, manteniéndolas todo lo posible en la trayectoria ideal, ello se consigue haciendo que el campo magnético sea ligeramente inferior por la parte externa que por la interna del tubo anular recorrido por las partículas, cuya trayectoria real presenta ondulaciones laterales y de arriba abajo, debidas a la acción antagonista de las fuerzas de enfoque. Para perder por esta causa el menor número posible de partículas, es preciso que el indicado tubo anular que recorren tenga una sección elíptica de unos 80X10 cm., lo que implica el empleo de un electroimán con piezas polares de casi un metro de diámetro, subdividido en cuatro secciones en forma de cuadrante, enlazadas por otras tantas rectilíneas, sin campo. Aunque cabe la posibilidad de incrementar la energía de estos ingenios aumentando sus dimensiones (lo que resulta excesivamente costoso), se ha comprobado que ello también se consigue eficazmente afinando el enfoque de las partículas todo lo posible, manteniéndolas en la órbita ideal que deben describir dentro del tubo circular, para lo cual conviene no sólo reducir la sección de éste, sino la de las piezas polares del electroimán y la del entrehierro. Los cálculos realizados por Courant, Livingston y Snyder, de Brookhaven, demostraron, desde 1952, la eficacia de estas y otras modificaciones, especialmente el empleo del gradiente alternado del campo magnético, con lo que el recorrido de las partículas va corrigiéndose continuamente.

Para ello, el electroimán está dividido en’sectores, en los que el gradiente del campo está orientado alternativamente hacia el centro de la trayectoria y al revés, de modo que las partículas son alternativamente atraídas y repelidas hacia dicho centro; el cálculo matemático demuestra que, contra lo que parece a primera vista, predominan las fuerzas equilibradoras, aunque sólo por un pequeño margen. La gran eficacia del método de enfoque por gradientes alternados es puesta de manifiesto por el sincrotrón del CERN, en el que las partículas describen trayectorias circulares dentro de un tubo de 200 m. de diámetro, cuya sección es sólo de 7,5X15 cm. Con un peso total de todos los electroimanes igual al doble del del cosmotrón, la energía que suministra el sincrotrón del CERN es más de ocho veces mayor que la del americano, imprimiendo a los protones energías del orden de los 28.109 eV, es decir, con velocidades sólo menores de seis centésimas del 1 % de la de la luz.

Debemos señalar que tales protones ultrarrápidos poseen la energía suficiente para la creación de antiprotones; aunque estas antipartículas (v.) ya se habían obtenido en 1955 con el bevatrón, eran solamente en pequeño número, mientras que el a. ginebrino las produce a miles por segundo, lo que ha facilitado su estudio.

V. t.: IONIZACIóN; PARTÍCULAS ELEMENTALES.

J. BALTÁ ELÍAS.

BIBL.: J. CATALÁ DE ALEMANY, Física General, Valencia 1961, 883; E. NAHMrAS, Machines atomiques, París 1950; VARIOS, History of the Cyclotron, "Physics toddy", 12 oct. 1959; M. STANLEY LIVINGSTON Y JOHN P. BLEWETT, Particle Accelerators, Nueva York 1965; K. SIEGAHN y F. T. HOWARD, Sector Focussed CycIotrons, Amsterdam 1962; F. T. HoWARD, N. VOGT, NILSON, Proceedings of the International Conference on Sector Focussed CycIotrons, Ginebra 1963; H. BRUCK, Accelerateurs circulaires de particules, París 1966.