Acelerador de partículas
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Acelerador de partículas

El acelerador de partículas no es un invento reciente ni mucho menos, aunque en la actualidad los experimentos del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) alcanzaron una gran popularidad. Se trata de una máquina que se comenzó a utilizar a principios del siglo XX, y que fue adquiriendo diferentes formas y usos a lo largo de las décadas.

imageSincrotrón (Wikipedia)

Un acelerador de partículas es básicamente un aparato en el cual las partículas cargadas eléctricamente (electrones o iones) adquieren una gran velocidad y, gracias a ella, un grado de energía muy elevado, por medio de un campo eléctrico o magnético. Así, se pueden obtener rayos X o neutrones emitidos como resultado de una reacción nuclear que obligan a esas partículas aceleradas a bombardear un blanco apropiado que, a su vez, emite rayos X o neutrones.

Los grandes aceleradores de partículas son instrumentos de investigación científica extraordinariamente importantes, sobre todo en lo que refiere a la física nuclear. Pero también se utilizan otros tipos de aceleradores más reducidos para otros campos de la ciencia, como la medicina y la tecnología.

Un haz de partículas, merced a su energía cinética, puede penetrar en los átomos del material bombardeado y provocar diversas transformaciones. En los laboratorios de física nuclear, se estudia la naturaleza de esas transformaciones, intentando sacar conclusiones acerca de las propiedades y las estructuras de los núcleos atómicos.

Los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas son numerosos. Ciertos isótopos radioactivos no pueden obtenerse si no es mediante el bombardeo por aceleración de partículas en un blanco determinado.

Se descubrieron varias partículas hasta entonces desconocidas, como las antipartículas y los mesones, a través de la colisión a gran velocidad de haces de electrones e iones.

La energía cinética de las partículas aceleradas se expresa en electronvoltios (eV). En la práctica se emplean, preferentemente, los múltiplos de dicha unidad. Por ejemplo, 1Kev es igual a 10 elevado al 3: 1 KeV = 103 eV. También se usan múltiplos como 1 MeV = 103 KeV = 106 eV, ó 1 GeV = 103 MeV = 109 eV, ó 1 TeV = 103 GeV = 1012 eV.

La energía de las partículas que es posible alcanzar en un acelerador de partículas varía desde unas decenas de KeV, en los aparatos más pequeños, hasta los 14 TeV que teóricamente puede alcanzar el Gran Colisionador de Hadrones.

Existen distintos modelos de aceleradores de partículas, cada cual diseñado para responder a determinados usos y velocidades de colisión.

Cuando se desea alcanzar una energía de las partículas de alrededor de 8 MeV o menos, se utilizan aparatos que disponen de un solo tubo de aceleración rectilínea en el cual las partículas procedentes de la fuente de iones o de electrones son liberadas en un extremo, a muy alta tensión, de un tubo largo, aislado, cuyo otro extremo se halla conectado a la tierra. Las partículas así son atraídas por la diferencia de potencial hacia el extremo conectado a la tierra.

image Diseño de un ciclotrón (Wikipedia)

Si se desea obtener una energía más alta, las partículas deben ser objeto de varias aceleraciones sucesivas para alcanzar la velocidad adecuada. En un acelerador lineal, para iones positivos, el haz atraviesa una serie de cilindros de longitud creciente.

El ciclotrón, no difiere en principio de este sistema lineal, pero en vez de utilizar cilindros de diferente longitud, se coloca un campo magnético perpendicular a la trayectoria de la partícula, de forma que esta se desplaza a lo largo de una espiral cuyo radio aumenta progresivamente.

En los betatrones, los electrones son acelerados por un aumento de la intensidad de un campo magnético perpendicular a una trayectoria circular, procediendo dicho campo magnético de un electroimán colocado en el centro.

Por otro lado, los sincrotrones utilizan métodos más simples para alcanzar una energía elevada. Se componen de una cámara en forma de anillo colocada entre los polos de un electroimán anular.

Fuente: Enciclopedia Focus, La Técnica y la Materia, Editorial Argos, Barcelona

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