Acelerador de gradiente alterno de campo fijo

Un acelerador de gradiente alterno de campo fijo ( FFA ; también abreviado FFAG ) es un concepto de acelerador de partículas circular que se caracteriza por sus campos magnéticos independientes del tiempo ( campo fijo , como en un ciclotrón ) y el uso de un enfoque fuerte de gradiente alterno (como en un sincrotrón ). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En todos los aceleradores circulares, se utilizan campos magnéticos para desviar el haz de partículas. Dado que la fuerza magnética necesaria para desviar el haz aumenta con la energía de las partículas, a medida que estas se aceleran, sus trayectorias aumentan de tamaño o bien el campo magnético debe incrementarse con el tiempo para mantenerlas en una órbita de tamaño constante. Las máquinas de campo fijo, como los ciclotrones y los aceleradores de campo fijo (FFA), utilizan el primer método y permiten que la trayectoria de las partículas cambie con la aceleración.

Para mantener las partículas confinadas a un haz, se requiere algún tipo de enfoque. Las pequeñas variaciones en la forma del campo magnético, manteniendo la misma dirección general, se conocen como enfoque débil. El enfoque fuerte, o de gradiente alterno, implica campos magnéticos que apuntan alternativamente en direcciones opuestas. El uso del enfoque de gradiente alterno permite obtener haces más concentrados y cavidades de acelerador más pequeñas.

Los FFA utilizan campos magnéticos fijos que incluyen cambios en la dirección del campo alrededor de la circunferencia del anillo. Esto significa que el haz cambiará de radio durante la aceleración, como en un ciclotrón, pero permanecerá más enfocado, como en un sincrotrón. Por lo tanto, los FFA combinan imanes fijos relativamente menos costosos con un mayor enfoque del haz propio de las máquinas de enfoque potente. ^{[ 3 ]}

El concepto inicial del FFA se desarrolló en la década de 1950, pero no se exploró activamente más allá de unas pocas máquinas de prueba hasta mediados de la década de 1980, para su uso en fuentes de espalación de neutrones , como impulsor de colisionadores de muones ^{[ 1 ]} y para acelerar muones en una fábrica de neutrinos desde mediados de la década de 1990.

El resurgimiento de la investigación en FFA ha sido particularmente fuerte en Japón con la construcción de varios anillos. Este resurgimiento se ha visto impulsado en parte por los avances en las cavidades de RF y en el diseño de imanes. ^{[ 4 ]}

Los campos magnéticos necesarios para un FFA son bastante complejos. El cálculo de los imanes utilizados en el FFA Mark Ib de Michigan, una  máquina de sector radial de 500 keV de 1956, fue realizado por Frank Cole en la Universidad de Illinois con una calculadora mecánica construida por Friden . ^{[ 6 ]} Esto representaba el límite de lo que se podía hacer razonablemente sin computadoras; las geometrías magnéticas más complejas de los FFA de sector espiral y no escalables requieren modelos computacionales sofisticados.

Las máquinas MURA eran sincrotrones FFA de escalado, lo que significa que las órbitas de cualquier momento son ampliaciones fotográficas de las de cualquier otro momento. En tales máquinas, las frecuencias betatrónicas son constantes, por lo que no se cruzan resonancias que podrían provocar la pérdida del haz, ^{[ 31 ]} . Una máquina es de escalado si el campo magnético del plano medio satisface

${\displaystyle B_{r}=0,\quad B_{\theta }=0,\quad B_{z}=ar^{k}~f(\psi )}$,

dónde

• ${\displaystyle \psi =N~[\tan ~\zeta ~\ln(r/r_{0})~-~\theta ]}$,
• ${\displaystyle k}$es el índice del campo,
• ${\displaystyle N}$es la periodicidad,
• ${\displaystyle \zeta }$es el ángulo espiral (que es igual a cero para una máquina radial),
• ${\displaystyle r}$el radio promedio y
• ${\displaystyle f(\psi )}$es una función arbitraria que permite una órbita estable.

Para${\displaystyle k>>1}$Un imán FFA es mucho más pequeño que el de un ciclotrón de la misma energía. La desventaja es que estas máquinas son altamente no lineales. Estas y otras relaciones se desarrollan en el artículo de Frank Cole. ^{[ 32 ]}

La idea de construir un FFA no escalable se les ocurrió a Kent Terwilliger y Lawrence W. Jones a finales de la década de 1950 mientras pensaban en cómo aumentar la luminosidad del haz en las regiones de colisión del FFA de haces colisionantes de dos vías en el que estaban trabajando. Esta idea tuvo aplicaciones inmediatas en el diseño de mejores imanes de enfoque para aceleradores convencionales, ^{[ 6 ]} pero no se aplicó al diseño de FFA hasta varias décadas después.

Si la aceleración es lo suficientemente rápida, las partículas pueden atravesar las resonancias betatrónicas antes de que alcancen una amplitud dañina. En ese caso, el campo dipolar puede ser lineal con el radio, lo que hace que los imanes sean más pequeños y sencillos de construir. Un FFA lineal y no escalable, denominado EMMA (Electron Machine with Many Applications), ha funcionado con éxito en el Laboratorio Daresbury, Reino Unido. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Los FFA de excursión de órbita vertical (VFFA) son un tipo especial de FFA configurados de manera que las órbitas de mayor energía se produzcan por encima (o por debajo) de las de menor energía, en lugar de radialmente hacia afuera. Esto se logra mediante campos de enfoque oblicuo que empujan las partículas con mayor rigidez del haz verticalmente hacia regiones con un campo dipolar más intenso. ^{[ 35 ]}

La principal ventaja de un diseño VFFA sobre un diseño FFA es que la longitud del recorrido se mantiene constante entre partículas con energías diferentes, lo que permite que las partículas relativistas viajen isócronamente . La isocronía del período de revolución posibilita el funcionamiento continuo del haz, ofreciendo así la misma ventaja en potencia que los ciclotrones isócronos tienen sobre los sincrociclotrones . Los aceleradores isócronos carecen de enfoque longitudinal del haz , pero esto no representa una limitación importante en aceleradores con velocidades de rampa rápidas, como las que se utilizan habitualmente en los diseños FFA.

Entre las principales desventajas se incluye el hecho de que los VFFA requieren diseños de imanes poco convencionales y que, actualmente, los diseños de VFFA solo se han simulado en lugar de haberse probado.

Los aceleradores FFA tienen aplicaciones médicas potenciales en la terapia de protones para el cáncer, como fuentes de protones para la producción de neutrones de alta intensidad, para inspecciones de seguridad no invasivas de contenedores de carga cerrados, para la aceleración rápida de muones a altas energías antes de que tengan tiempo de decaer, y como "amplificadores de energía", para reactores subcríticos impulsados ​​por aceleradores (ADSR) / reactores subcríticos en los que un haz de neutrones derivado de un FFA impulsa un reactor de fisión ligeramente subcrítico . Estos ADSR serían intrínsecamente seguros, sin peligro de fuga exponencial accidental, y con una producción relativamente baja de residuos transuránicos , con su larga vida útil y potencial para la proliferación de armas nucleares .

Debido a su haz casi continuo y a los consiguientes intervalos de aceleración mínimos para altas energías, los FFA también han despertado interés como posibles componentes de futuras instalaciones de colisionadores de muones .

En la década de 1990, investigadores del laboratorio de física de partículas KEK, cerca de Tokio, comenzaron a desarrollar el concepto FFA, que culminó en una máquina de 150 MeV en 2003. Se ha diseñado una máquina sin escalado, denominada PAMELA, para acelerar tanto protones como núcleos de carbono para la terapia del cáncer. ^{[ 36 ]} Mientras tanto, en marzo de 2009 se demostró en Japón un ADSR que opera a 100 MeV en el Conjunto Crítico de la Universidad de Kioto (KUCA), logrando "reacciones nucleares sostenibles" con las barras de control del conjunto crítico insertadas en el núcleo del reactor para amortiguarlo por debajo de la criticidad.

• Amplificador de energía: un reactor nuclear subcrítico que podría utilizar un FFA como fuente de neutrones.

• "El renacimiento de la FFAG" . CERN Courier . 28 de julio de 2004. Archivado del original el 15 de julio de 2007. Consultado el 11 de abril de 2012 .