Cómo funcionan los aceleradores de partículas

Ya sea que se trate de investigación médica o científica, desarrollo de productos de consumo o seguridad nacional, los aceleradores de partículas tocan casi todos los aspectos de nuestra vida diaria. Desde los primeros días del tubo de rayos catódicos en la década de 1890, los aceleradores de partículas han realizado importantes contribuciones a la innovación científica y tecnológica. Hoy en día, hay más de 30.000 aceleradores de partículas en funcionamiento en todo el mundo.

¿Qué es un acelerador de partículas?

Un acelerador de partículas es una máquina que acelera partículas elementales, como electrones o protones, a energías muy altas. En un nivel básico, los aceleradores de partículas producen haces de partículas cargadas que pueden usarse para una variedad de propósitos de investigación. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: aceleradores lineales y aceleradores circulares. Los aceleradores lineales impulsan partículas a lo largo de una línea de haz lineal o recta. Los aceleradores circulares impulsan partículas alrededor de una pista circular. Los aceleradores lineales se utilizan para experimentos de objetivo fijo, mientras que los aceleradores circulares se pueden utilizar tanto para experimentos de haz colisionante como de objetivo fijo.

¿Cómo funciona un acelerador de partículas?

Los aceleradores de partículas utilizan sistemas eléctricos campos para acelerar y aumentar la energía de un haz de partículas, que son dirigidas y enfocadas por campos magnéticos. La fuente de partículas proporciona las partículas, como protones o electrones, que se van a acelerar. El haz de partículas viaja dentro de un vacío en el tubo de la viga de metal. La aspiradora es crucial para mantener un ambiente libre de aire y polvo para que el haz de partículas viaje sin obstrucciones. Los electroimanes dirigen y enfocan el haz de partículas mientras viaja a través del tubo de vacío.

Los campos eléctricos espaciados alrededor del acelerador cambian de positivo a negativo a una frecuencia determinada, creando ondas de radio que aceleran las partículas en racimos. Las partículas se pueden dirigir a un objetivo fijo, como un trozo delgado de lámina de metal, o se pueden colisionar dos haces de partículas. Los detectores de partículas registran y revelan las partículas y la radiación que se producen por la colisión entre un haz de partículas y el objetivo.

¿Cómo han contribuido los aceleradores a la ciencia básica?

Los aceleradores de partículas son esenciales herramientas de descubrimiento para la física nuclear y de partículas y para las ciencias que utilizan rayos X y neutrones, un tipo de partícula subatómica neutra.

La física de partículas, también llamada física de altas energías, hace preguntas básicas sobre el universo. Con los aceleradores de partículas como sus principales herramientas científicas, los físicos de partículas han logrado una comprensión profunda de las partículas fundamentales y las leyes físicas que gobiernan la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

Durante las últimas cuatro décadas, las fuentes de luz: Los aceleradores que producen fotones, la partícula subatómica responsable de la radiación electromagnética, y las ciencias que los utilizan han logrado avances espectaculares que abarcan muchos campos de investigación. Hoy en día, hay alrededor de 10,000 científicos en los Estados Unidos que utilizan haces de rayos X para la investigación en física y química, biología y medicina, ciencias de la Tierra y muchos más aspectos de la ciencia y el desarrollo de materiales.

¿Cómo se han logrado? aceleradores de partículas ¿productos de consumo mejorados?

En todo el mundo, cientos de procesos industriales utilizan aceleradores de partículas, desde la fabricación de chips de computadora hasta la reticulación de plástico para film retráctil y más.

Las aplicaciones del haz de electrones se centran en la modificación de las propiedades de los materiales, como la alteración de plásticos, para el tratamiento de superficies y para la destrucción de patógenos en la esterilización médica y la irradiación de alimentos. Los aceleradores de haz de iones, que aceleran las partículas más pesadas, encuentran un amplio uso en la industria de los semiconductores en la fabricación de chips y en el endurecimiento de las superficies de materiales como los que se utilizan en las articulaciones artificiales.

¿Cómo se utilizan los aceleradores de partículas en aplicaciones médicas? ?

Decenas de millones de pacientes reciben diagnósticos y terapias basados en aceleradores cada año en hospitales y clínicas de todo el mundo. Los aceleradores de partículas tienen dos funciones principales en aplicaciones médicas: la producción de radioisótopos para el diagnóstico y la terapia médicos, y como fuentes de haces de electrones, protones y partículas cargadas más pesadas para el tratamiento médico.

La amplia gama de Las semividas de los radioisótopos y sus diferentes tipos de radiación permiten la optimización para aplicaciones específicas. Los isótopos que emiten rayos X, rayos gamma o positrones pueden servir como sondas de diagnóstico, con instrumentos ubicados fuera del paciente para visualizar la distribución de la radiación y, por lo tanto, las estructuras biológicas y el movimiento o constricción del fluido (flujo sanguíneo, por ejemplo). Los emisores de rayos beta (electrones) y partículas alfa (núcleos de helio) depositan la mayor parte de su energía cerca del sitio del núcleo emisor y sirven como agentes terapéuticos para destruir el tejido canceroso.

La radioterapia por haces externos se ha convertido en un método muy eficaz para el tratamiento de pacientes con cáncer. La gran mayoría de estas irradiaciones se realizan ahora con aceleradores lineales de microondas que producen haces de electrones y rayos X. Los desarrollos de la tecnología aceleradora, el diagnóstico y las técnicas de tratamiento durante los últimos 50 años han mejorado dramáticamente los resultados clínicos. En la actualidad, hay 30 centros de tratamiento de protones y tres de haz de iones de carbono en funcionamiento en todo el mundo, con muchos nuevos en camino.

Los laboratorios nacionales del Departamento de Energía desempeñaron un papel crucial en el desarrollo inicial de estos El Laboratorio Nacional de Los Alamos ayudó a desarrollar aceleradores lineales para electrones, ahora los caballos de batalla de la terapia de haz externo. Oak Ridge y Brookhaven National Laboratories contribuyeron con gran parte de la experiencia actual en isótopos para diagnóstico y terapia. Lawrence Berkeley National Laboratory fue pionero en el uso de protones , partículas alfa (núcleos de helio) y otros iones ligeros para terapia y radiobiología.

¿Cómo han beneficiado los aceleradores de partículas la seguridad nacional?

Los aceleradores de partículas juegan un papel importante en la seguridad nacional, incluida la carga inspección, gestión de existencias y caracterización de materiales.

Las primeras aplicaciones de aceleradores para inspeccionar combustibles nucleares utilizaban aceleradores lineales de electrones comerciales de baja energía para inducir reacciones de foto-fisión. Estas tecnologías de inspección se expandieron a la investigación de tambores de desechos en la década de 1980 y, finalmente, a las inspecciones de carga. La invención del láser de electrones libres en la década de 1970 condujo a una radiación electromagnética de potencia cada vez mayor utilizando electrones de alta energía, de interés directo para las aplicaciones de seguridad y defensa, incluida la aplicación propuesta por la Armada de la tecnología láser de electrones libres para la defensa a bordo.