Como funcionam os aceleradores de partículas
Quer se trate de pesquisas médicas ou científicas, desenvolvimento de produtos de consumo ou segurança nacional, os aceleradores de partículas afetam quase todas as partes de nossas vidas diárias. Desde os primeiros dias do tubo de raios catódicos na década de 1890, os aceleradores de partículas deram importantes contribuições para a inovação científica e tecnológica. Hoje, existem mais de 30.000 aceleradores de partículas em operação ao redor do mundo.
O que é um acelerador de partículas?
Um acelerador de partículas é uma máquina que acelera partículas elementares, como elétrons ou prótons, para energias muito altas. Em um nível básico, os aceleradores de partículas produzem feixes de partículas carregadas que podem ser usados para uma variedade de propósitos de pesquisa. Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas: aceleradores lineares e aceleradores circulares. Os aceleradores lineares impulsionam as partículas ao longo de uma linha de feixe linear ou reta. Os aceleradores circulares impulsionam as partículas em torno de uma trilha circular. Aceleradores lineares são usados para experimentos de alvo fixo, enquanto os aceleradores circulares podem ser usados para experimentos de feixe de colisão e alvo fixo.
Como funciona um acelerador de partículas?
Os aceleradores de partículas usam eletricidade campos para acelerar e aumentar a energia de um feixe de partículas, que são direcionadas e focadas por campos magnéticos. A fonte de partículas fornece as partículas, como prótons ou elétrons, que devem ser aceleradas. O feixe de partículas viaja dentro de um vácuo no tubo do feixe de metal. O vácuo é crucial para manter um ambiente livre de ar e poeira para que o feixe de partículas viaje sem obstruções. Os eletroímãs direcionam e focalizam o feixe de partículas enquanto ele viaja pelo tubo de vácuo.
Os campos elétricos espaçados ao redor do acelerador mudam de positivo para negativo em uma determinada frequência, criando ondas de rádio que aceleram as partículas em feixes. As partículas podem ser direcionadas a um alvo fixo, como um pedaço fino de folha de metal, ou dois feixes de partículas podem colidir. Os detectores de partículas registram e revelam as partículas e a radiação que são produzidas pela colisão entre um feixe de partículas e o alvo.
Como os aceleradores contribuíram para a ciência básica?
Os aceleradores de partículas são essenciais ferramentas de descoberta para física de partículas e nuclear e para ciências que usam raios X e nêutrons, um tipo de partícula subatômica neutra.
A física de partículas, também chamada de física de alta energia, faz perguntas básicas sobre o universo. Com aceleradores de partículas como suas principais ferramentas científicas, os físicos de partículas alcançaram uma compreensão profunda das partículas fundamentais e das leis físicas que governam a matéria, a energia, o espaço e o tempo.
Nas últimas quatro décadas, as fontes de luz – aceleradores que produzem fótons, a partícula subatômica responsável pela radiação eletromagnética – e as ciências que os utilizam fizeram avanços dramáticos que abrangem muitos campos de pesquisa. Hoje, existem cerca de 10.000 cientistas nos Estados Unidos usando feixes de raios-X para pesquisas em física e química, biologia e medicina, ciências da Terra e muitos outros aspectos da ciência de materiais e desenvolvimento.
Como tem os aceleradores de partículas melhoraram os produtos de consumo?
Em todo o mundo, centenas de processos industriais usam aceleradores de partículas – desde a fabricação de chips de computador até a reticulação de plástico para embalagem termorretrátil e muito mais.
As aplicações de feixes de elétrons estão centradas na modificação das propriedades dos materiais, como a alteração de plásticos, para tratamento de superfície e para destruição de patógenos em esterilização médica e irradiação de alimentos. Os aceleradores de feixe de íons, que aceleram partículas mais pesadas, têm amplo uso na indústria de semicondutores na fabricação de chips e no endurecimento de superfícies de materiais como os usados em juntas artificiais.
Como os aceleradores de partículas são usados em aplicações médicas ?
Dezenas de milhões de pacientes recebem diagnósticos baseados em aceleradores e terapia a cada ano em hospitais e clínicas em todo o mundo. Existem duas funções principais para aceleradores de partículas em aplicações médicas: a produção de radioisótopos para diagnóstico e terapia médica e como fontes de feixes de elétrons, prótons e partículas carregadas mais pesadas para tratamento médico.
A ampla gama de meias-vidas de radioisótopos e seus diferentes tipos de radiação permitem a otimização para aplicações específicas. Isótopos emissores de raios-x, raios gama ou pósitrons podem servir como sondas diagnósticas, com instrumentos localizados fora do paciente para a distribuição da imagem da radiação e, portanto, das estruturas biológicas e do movimento ou constrição do fluido (fluxo sanguíneo, por exemplo). Os emissores de raios beta (elétrons) e partículas alfa (núcleos de hélio) depositam a maior parte de sua energia próximo ao local do núcleo emissor e servem como agentes terapêuticos para destruir o tecido canceroso.
A radioterapia por feixes externos se tornou um método altamente eficaz para o tratamento de pacientes com câncer. A grande maioria dessas irradiações é agora realizada com aceleradores lineares de microondas, produzindo feixes de elétrons e raios-x. Desenvolvimentos de tecnologia, diagnósticos e técnicas de tratamento de aceleradores nos últimos 50 anos melhoraram dramaticamente os resultados clínicos. Hoje, 30 centros de tratamento de prótons e três feixes de íons de carbono estão em operação em todo o mundo, com muitos novos centros a caminho.
Os laboratórios nacionais do Departamento de Energia desempenharam um papel crucial no desenvolvimento inicial destes tecnologias. O Laboratório Nacional de Los Alamos ajudou a desenvolver aceleradores lineares para elétrons, agora os burros de carga da terapia de feixe externo. Oak Ridge e Brookhaven National Laboratories contribuíram com grande parte da experiência atual em isótopos para diagnóstico e terapia. Lawrence Berkeley National Laboratory foi pioneiro no uso de prótons. , partículas alfa (núcleos de hélio) e outros íons leves para terapia e radiobiologia.
Como os aceleradores de partículas beneficiaram a segurança nacional?
Os aceleradores de partículas desempenham um papel importante na segurança nacional, incluindo carga inspeção, gerenciamento de estoque e caracterização de materiais.
As primeiras aplicações de aceleradores para inspecionar combustíveis nucleares usaram aceleradores lineares de elétrons de baixa energia para induzir reações de foto-fissão. Essas tecnologias de inspeção se expandiram para a investigação de tambores de resíduos na década de 1980 e, eventualmente, para as inspeções de carga. A invenção do laser de elétrons livres na década de 1970 levou a uma radiação eletromagnética de potência cada vez maior usando elétrons de alta energia, de interesse direto para aplicações de segurança e defesa, incluindo a proposta da Marinha de aplicação da tecnologia de laser de elétrons livres para defesa a bordo.