Acelerador de partículas electrostáticas

Un acelerador de partículas electrostático es un acelerador de partículas en el que las partículas cargadas se aceleran hasta alcanzar una alta energía mediante un potencial de alto voltaje estático . Esto contrasta con la otra categoría principal de aceleradores de partículas, los aceleradores de partículas de campo oscilante , en los que las partículas se aceleran mediante campos eléctricos oscilantes.

Debido a su diseño más simple, los tipos electrostáticos fueron los primeros aceleradores de partículas. Los dos tipos más comunes son el generador Van de Graaf inventado por Robert Van de Graaff en 1929, y el acelerador Cockcroft-Walton inventado por John Cockcroft y Ernest Walton en 1932. La energía máxima de partículas producidas por los aceleradores electrostáticos está limitada por el voltaje máximo que puede alcanzar la máquina. Este, a su vez, está limitado por la ruptura del aislamiento a unos pocos megavoltios . Los aceleradores oscilantes no tienen esta limitación, por lo que pueden alcanzar energías de partículas más altas que las máquinas electrostáticas.

Las ventajas de los aceleradores electrostáticos sobre las máquinas de campo oscilante incluyen un menor costo, la capacidad de producir haces continuos y corrientes de haz más altas que los hacen útiles para la industria. Como tal, son con diferencia los aceleradores de partículas más utilizados, con aplicaciones industriales como la producción de envolturas de plástico retráctil , máquinas de rayos X de alta potencia , radioterapia en medicina, producción de radioisótopos , implantadores de iones en la producción de semiconductores y esterilización. Muchas universidades de todo el mundo tienen aceleradores electrostáticos para fines de investigación. Los aceleradores de campo oscilante de alta energía suelen incorporar una máquina electrostática como primera etapa, para acelerar las partículas a una velocidad lo suficientemente alta como para inyectarlas en el acelerador principal.

Los aceleradores electrostáticos tienen una amplia gama de aplicaciones en la ciencia y la industria. En el ámbito de la investigación fundamental, se utilizan para proporcionar haces de núcleos atómicos para la investigación a energías de hasta varios cientos de MeV .

En la industria y la ciencia de los materiales se utilizan para producir haces de iones para la modificación de materiales, incluida la implantación de iones y la mezcla de haces de iones. También existen varias técnicas de análisis de materiales basadas en la aceleración electrostática de iones pesados, entre las que se incluyen la espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS), la emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE), la espectrometría de masas con acelerador (AMS), la detección de retroceso elástico (ERD) y otras.

Aunque estas máquinas aceleran principalmente núcleos atómicos , hay una serie de máquinas compactas que se utilizan para acelerar electrones con fines industriales, incluida la esterilización de instrumentos médicos, la producción de rayos X y la producción de obleas de silicio. ^[1]

Una aplicación especial de los aceleradores de partículas electrostáticos son los aceleradores de polvo, en los que partículas de polvo cargadas eléctricamente de tamaño nanométrico a micrométrico se aceleran a velocidades de hasta 100 km/s. ^[2] Los aceleradores de polvo se utilizan para estudios de cráteres de impacto, ^[3] calibración de detectores de polvo de ionización de impacto , ^[4] y estudios de meteoritos. ^[5]

Utilizando un terminal de alto voltaje mantenido a un potencial estático del orden de millones de voltios, se pueden acelerar partículas cargadas . En lenguaje sencillo, un generador electrostático es básicamente un condensador gigante (aunque sin placas). El alto voltaje se consigue utilizando los métodos de Cockcroft & Walton o Van de Graaff , y los aceleradores suelen llevar el nombre de estos inventores. El diseño original de Van de Graaff coloca electrones en una lámina aislante, o cinta, con un peine de metal, y luego la lámina transporta físicamente los electrones inmovilizados hasta el terminal. Aunque a alto voltaje, el terminal es un conductor, y hay un peine correspondiente dentro del conductor que puede recoger los electrones de la lámina; debido a la ley de Gauss , no hay campo eléctrico dentro de un conductor, por lo que los electrones no son repelidos por la plataforma una vez que están dentro. La cinta es similar en estilo a una cinta transportadora convencional , con una excepción importante: no tiene costuras. Por lo tanto, si la correa se rompe, el acelerador debe desmontarse en cierta medida para reemplazar la correa, lo que, debido a su rotación constante y al estar hecha típicamente de caucho , no es un caso particularmente infrecuente. La dificultad práctica con las correas llevó a un medio diferente para transportar físicamente las cargas: una cadena de pellets. A diferencia de una cadena normal, esta no es conductora de un extremo al otro, ya que se utilizan tanto aislantes como conductores en su construcción. Este tipo de aceleradores generalmente se llaman Pelletrones .

Una vez que la plataforma puede cargarse eléctricamente por uno de los medios anteriores, se coloca una fuente de iones positivos en la plataforma al final de la línea de haz, por lo que se llama terminal. Sin embargo, como la fuente de iones se mantiene a un alto potencial, no se puede acceder a ella para su control o mantenimiento directamente. Por lo tanto, se pueden ramificar métodos como varillas de plástico conectadas a varias palancas dentro del terminal y activarse de forma remota. Omitiendo los problemas prácticos, si la plataforma está cargada positivamente, repelerá los iones de la misma polaridad eléctrica, acelerándolos. Como E = qV, donde E es la energía emergente, q es la carga iónica y V es el voltaje del terminal, la energía máxima de las partículas aceleradas de esta manera está prácticamente limitada por el límite de descarga de la plataforma de alto voltaje, aproximadamente 12 MV en condiciones atmosféricas ambientales. Este límite se puede aumentar, por ejemplo, manteniendo la plataforma de alta tensión en un tanque de un gas aislante con una constante dieléctrica más alta que el aire, como el SF6 _, que tiene una constante dieléctrica aproximadamente 2,5 veces la del aire. Sin embargo, incluso en un tanque de SF6 _, el voltaje máximo alcanzable es de alrededor de 30 MV. Podría haber otros gases con poderes aislantes aún mejores, pero el SF6 _también es químicamente inerte y no tóxico . Para aumentar aún más la energía máxima de aceleración, se inventó el concepto tándem para utilizar el mismo alto voltaje dos veces.

Convencionalmente, los iones con carga positiva se aceleran porque esta es la polaridad del núcleo atómico. Sin embargo, si uno quiere usar el mismo potencial eléctrico estático dos veces para acelerar iones , entonces la polaridad de la carga de los iones debe cambiar de aniones a cationes o viceversa mientras están dentro del conductor donde no sentirán fuerza eléctrica. Resulta simple quitar, o despojar, de electrones a un ion energético. Una de las propiedades de la interacción de los iones con la materia es el intercambio de electrones, que es una forma en que el ion puede perder energía depositándola dentro de la materia, algo que intuitivamente deberíamos esperar de un proyectil disparado a un sólido. Sin embargo, a medida que el objetivo se vuelve más delgado o el proyectil se vuelve más energético, la cantidad de energía depositada en la lámina se vuelve cada vez menor.

Los tándems ubican la fuente de iones fuera del terminal, lo que significa que acceder a la fuente de iones mientras el terminal está a alto voltaje es significativamente menos difícil, especialmente si el terminal está dentro de un tanque de gas. Entonces, un haz de aniones de una fuente de iones de pulverización catódica se inyecta desde una plataforma de voltaje relativamente más bajo hacia el terminal de alto voltaje. Dentro del terminal, el haz incide sobre una lámina delgada (del orden de microgramos por centímetro cuadrado), a menudo carbono o berilio , despojando electrones del haz de iones para que se conviertan en cationes. Como es difícil hacer aniones de más de -1 estado de carga, entonces la energía de las partículas que emergen de un tándem es E = (q + 1) V, donde hemos agregado el segundo potencial de aceleración de ese anión al estado de carga positiva q que emerge de la lámina despojadora; estamos sumando estos diferentes signos de carga juntos porque estamos aumentando la energía del núcleo en cada fase. En este sentido, podemos ver claramente que un tándem puede duplicar la energía máxima de un haz de protones, cuyo estado de carga máxima es apenas +1, pero la ventaja obtenida por un tándem tiene rendimientos decrecientes a medida que avanzamos hacia una masa mayor, como, por ejemplo, uno podría obtener fácilmente un estado de carga 6+ de un haz de silicio .

No es posible convertir cada elemento en un anión fácilmente, por lo que es muy raro que los tándems aceleren cualquier gas noble más pesado que el helio , aunque KrF ⁻ y XeF ⁻ se han producido y acelerado con éxito con un tándem. ^[6] Sin embargo, no es raro hacer compuestos para obtener aniones, y TiH ₂ podría extraerse como TiH ⁻ y usarse para producir un haz de protones, porque estos productos químicos simples, y a menudo débilmente unidos, se descompondrán en la lámina separadora terminal. La producción de haces de iones de aniones fue un tema de estudio importante para la aplicación del acelerador tándem, y se pueden encontrar recetas y rendimientos para la mayoría de los elementos en el libro de recetas de iones negativos. ^[7] Los tándems también pueden funcionar en modo terminal, donde funcionan como un acelerador electrostático de un solo extremo, que es una forma más común y práctica de hacer haces de gases nobles.

El nombre "tándem" tiene su origen en este doble uso del mismo alto voltaje, aunque los tándems también pueden recibir el mismo nombre que los aceleradores electrostáticos convencionales, basándose en el método de carga del terminal.

El MP Tandem van de Graaff es un tipo de acelerador Tandem. Diez de ellos se instalaron en el siglo XX; seis en América del Norte ^[8] y cuatro en Europa. ^[9]

Un truco que debe tenerse en cuenta con los aceleradores electrostáticos es que, por lo general, las líneas de luz de vacío están hechas de acero. Sin embargo, no es muy fácil conectar un tubo conductor de acero desde el terminal de alto voltaje hasta el suelo. Por lo tanto, se ensamblan muchos anillos de un vidrio fuerte, como Pyrex , de tal manera que su interfaz es un sello de vacío, como una junta de cobre ; un solo tubo de vidrio largo podría implosionar en el vacío o fracturarse al soportar su propio peso. Es importante para la física que estos anillos conductores interespaciados ayuden a crear un campo eléctrico más uniforme a lo largo de la columna de aceleración. Esta línea de luz de anillos de vidrio se sostiene simplemente por compresión en cada extremo del terminal. Como el vidrio no es conductor, podría sostenerse desde el suelo, pero tales soportes cerca del terminal podrían inducir una descarga del terminal, según el diseño. A veces, la compresión no es suficiente y toda la línea de luz puede colapsar y romperse. Esta idea es especialmente importante para el diseño de tándems, porque naturalmente tienen líneas de luz más largas y la línea de luz debe pasar por el terminal.

La mayoría de las veces, los aceleradores electrostáticos se disponen en línea horizontal. Sin embargo, algunos tándems pueden tener forma de "U" y, en principio, el haz puede orientarse en cualquier dirección con un dipolo magnético en el terminal. Algunos aceleradores electrostáticos se disponen verticalmente, donde la fuente de iones o, en el caso de un tándem vertical en forma de U, el terminal, se encuentra en la parte superior de una torre. Una disposición en torre puede ser una forma de ahorrar espacio y, además, la línea del haz que se conecta al terminal hecha de anillos de vidrio puede aprovechar la gravedad como fuente natural de compresión.

En un acelerador electrostático de un solo extremo, la partícula cargada se acelera a través de una única diferencia de potencial entre dos electrodos, por lo que la energía de la partícula de salida es igual a la carga de la partícula multiplicada por el voltaje de aceleración.${\estilo de visualización E}$${\estilo de visualización q}$${\estilo de visualización V}$

${\displaystyle E=qV}$

En un acelerador en tándem, la partícula se acelera dos veces con el mismo voltaje, por lo que la energía de salida es , ya que la forma aniónica tiene una sola carga. Si la carga está en unidades convencionales de culombios y el potencial está en voltios, la energía de la partícula se dará en julios . Sin embargo, debido a que la carga de las partículas elementales es tan pequeña (la carga del electrón es 1,6x10 ⁻¹⁹ culombios), la energía en julios es un número muy pequeño. ${\estilo de visualización (1+q)V}$${\estilo de visualización q}$${\estilo de visualización V}$

Como todas las partículas elementales tienen cargas que son múltiplos de la carga elemental del electrón, los culombios, los físicos de partículas utilizan una unidad diferente para expresar las energías de las partículas, el electronvoltio (eV), que facilita su cálculo. El electronvoltio es igual a la energía que gana una partícula con una carga de 1 e al pasar por una diferencia de potencial de un voltio. En la ecuación anterior, si se mide en cargas elementales e y está en voltios, la energía de la partícula se da en eV. Por ejemplo, si una partícula alfa que tiene una carga de 2 e se acelera a través de una diferencia de voltaje de un millón de voltios (1 MV), tendrá una energía de dos millones de electronvoltios, abreviada como 2 MeV. El voltaje de aceleración en las máquinas electrostáticas está en el rango de 0,1 a 25 MV y la carga en las partículas es de unas pocas cargas elementales, por lo que la energía de la partícula está en el rango bajo de MeV. Los aceleradores más potentes pueden producir energías en el rango de giga electronvoltios (GeV). ${\displaystyle e=1,6(10^{-19})}$${\estilo de visualización q}$${\estilo de visualización V}$${\estilo de visualización E}$

• Base de datos del OIEA sobre aceleradores electrostáticos