Un Acelerador de gradiente alterno de campo fijo ( FFA ) es un concepto de acelerador de partículas circular cuyo desarrollo se inició a principios de los años 50, y que se puede caracterizar por sus campos magnéticos independientes del tiempo ( campo fijo , como en un ciclotrón ) y el uso de un enfoque fuerte ( gradiente alterno , como en un sincrotrón ). [1] [2] Por lo tanto, los aceleradores FFA combinan la ventaja del ciclotrón de operación continua, sin pulsos, con el pequeño anillo magnético relativamente económico del sincrotrón, de diámetro estrecho.
Aunque el desarrollo de los FFA no se había llevado a cabo durante más de una década a partir de 1967, se ha reactivado el interés desde mediados de la década de 1980 por su uso en fuentes de espalación de neutrones , como impulsor de colisionadores de muones [1] y para acelerar los muones en una fábrica de neutrinos. desde mediados de la década de 1990.
El resurgimiento de la investigación de la FFA ha sido particularmente fuerte en Japón con la construcción de varios anillos. Este resurgimiento ha sido impulsado en parte por los avances en las cavidades de RF y en el diseño de imanes. [3]
Observamos que el acrónimo de Acelerador de gradiente alterno de campo fijo ha cambiado recientemente de FFAG a FFA. Por lo tanto, al buscar literatura más antigua, uno encontrará más a menudo el acrónimo original de FFAG.
Historia
Primera fase de desarrollo
La idea de los sincrotrones de gradiente alterno de campo fijo fue desarrollada de forma independiente en Japón por Tihiro Ohkawa , en los Estados Unidos por Keith Symon y en Rusia por Andrei Kolomensky . El primer prototipo, construido por Lawrence W. Jones y Kent M. Terwilliger en la Universidad de Michigan, utilizó aceleración betatrón y estuvo operativo a principios de 1956. [4] Ese otoño, el prototipo se trasladó al laboratorio de la Asociación de Investigación de Universidades del Medio Oeste (MURA). en la Universidad de Wisconsin , donde se convirtió en un sincrotrón de electrones de 500 keV . [5] La patente de Symon, presentada a principios de 1956, utiliza los términos "acelerador FFAG" y "sincrotrón FFAG". [6] Ohkawa trabajó con Symon y el equipo de MURA durante varios años a partir de 1955. [7]
Donald Kerst , en colaboración con Symon, presentó una patente para el acelerador FFA de sector en espiral aproximadamente al mismo tiempo que la patente del sector radial de Symon. [8] En 1957 se construyó una máquina de sector en espiral muy pequeña y en 1961 se hizo funcionar una máquina de sector radial de 50 MeV. Esta última máquina se basó en la patente de Ohkawa, presentada en 1957, para una máquina simétrica capaz de acelerar simultáneamente partículas idénticas en vigas en sentido horario y antihorario. [9] Este fue uno de los primeros aceleradores de haz en colisión , aunque esta característica no se usó cuando se puso en uso práctico como inyector para el anillo de almacenamiento de Tantalus en lo que se convertiría en el Centro de Radiación Sincrotrón . [10] La máquina de 50 MeV finalmente se retiró a principios de la década de 1970. [11]
MURA diseñó FFA de protones de 10 GeV y 12,5 GeV que no fueron financiados. [12] Se publicaron dos diseños reducidos, uno para 720 MeV [13] y otro para un inyector de 500 MeV, [14] .
Con el cierre de MURA que comenzó en 1963 y terminó en 1967, [15] el concepto de FFA no se usó en un diseño de acelerador existente y, por lo tanto, no se discutió activamente durante algún tiempo.
Desarrollo continuo
A principios de la década de 1980, Phil Meads sugirió que un FFA era adecuado y ventajoso como acelerador de protones para una fuente de neutrones de espalación intensa , [17] iniciando proyectos como el Acelerador lineal en tándem de Argonne en el Laboratorio Nacional de Argonne [18] y el Cooler Synchrotron en el Centro de Investigación de Jülich . [19]
Las conferencias que exploran esta posibilidad se celebraron en el Centro de Investigación de Jülich, a partir de 1984. [20] También se han realizado numerosos talleres anuales centrados en los aceleradores de FFA [21] en el CERN , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilab y el Instituto de Investigación de Reactores en Kioto. Universidad . [22] En 1992, la Conferencia europea sobre aceleradores de partículas en el CERN trató sobre los aceleradores FFA. [23] [24]
El primer FFA de protones se construyó con éxito en 2000, [25] iniciando un auge de las actividades de FFA en la física y la medicina de altas energías .
Con imanes superconductores , la longitud requerida de los imanes FFA escala aproximadamente como el cuadrado inverso del campo magnético. [26] En 1994, se derivó una forma de bobina que proporcionó el campo requerido sin hierro. [27] Este diseño de imán fue continuado por S. Martin et al. de Jülich . [23] [28]
En 2010, después del taller sobre aceleradores FFA en Kioto , se completó la construcción de la Máquina de Electrones con Muchas Aplicaciones (EMMA) en el Laboratorio de Daresbury , Reino Unido . Este fue el primer acelerador FFA sin escala. Los FFA sin escala son a menudo ventajosos para escalar los FFA porque se evitan los imanes grandes y pesados y el haz se controla mucho mejor. [29]
Tipos escalables vs no escalables
Los campos magnéticos necesarios para un FFA son bastante complejos. El cálculo de los imanes utilizados en la Michigan FFA Mark Ib, una máquina de 500 keV de sector radial de 1956, fue realizado por Frank Cole en la Universidad de Illinois en una calculadora mecánica construida por Friden . [5] Esto estaba en el límite de lo que se podía hacer razonablemente sin computadoras; las geometrías de imán más complejas del sector espiral y los FFA sin escala requieren un sofisticado modelado por computadora.
Las máquinas MURA estaban escalando sincrotrones FFA, lo que significa que las órbitas de cualquier impulso son ampliaciones fotográficas de las de cualquier otro impulso. En tales máquinas, las frecuencias del betatrón son constantes, por lo que no se cruzan resonancias que podrían conducir a la pérdida del haz [30] . Una máquina está escalando si el campo magnético del plano medio satisface
- ,
dónde
- ,
- es el índice de campo,
- es la periodicidad,
- es el ángulo de la espiral (que es igual a cero para una máquina radial),
- el radio promedio, y
- es una función arbitraria que permite una órbita estable.
Para un imán FFA es mucho más pequeño que el de un ciclotrón de la misma energía. La desventaja es que estas máquinas son muy no lineales. Estas y otras relaciones se desarrollan en el artículo de Frank Cole. [31]
La idea de construir un FFA sin escala se les ocurrió por primera vez 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 haz de colisión bidireccional en el que estaban trabajando. Esta idea tuvo aplicaciones inmediatas en el diseño de imanes de mejor enfoque para aceleradores convencionales, [5] 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 del betatrón antes de que tengan tiempo de acumular una amplitud dañina. En ese caso, el campo del dipolo puede ser lineal con el radio, lo que hace que los imanes sean más pequeños y más simples de construir. Un FFA lineal de prueba de principio sin escala llamado ( EMMA ) (Máquina de electrones con muchas aplicaciones) se ha operado con éxito en Daresbury Laboratory, Reino Unido. [32] [33]
FFA verticales
Los FFA de excursión de órbita vertical (VFFA) son un tipo especial de FFA dispuesto de modo que las órbitas de mayor energía se produzcan por encima (o por debajo) de las órbitas de menor energía, en lugar de radialmente hacia afuera. Esto se logra con campos de enfoque sesgado que empujan partículas con mayor rigidez de haz verticalmente hacia regiones con un campo dipolar más alto. [34]
La principal ventaja que ofrece un diseño VFFA sobre un diseño FFA es que la longitud de la trayectoria se mantiene constante entre partículas con diferentes energías y, por lo tanto, las partículas relativistas viajan de forma isócrona . La isocronicidad del período de revolución permite el funcionamiento continuo del haz, por lo que ofrece la misma ventaja en potencia que los ciclotrones isócronos sobre los sincrociclotrones . Los aceleradores isócronos no tienen enfoque de haz longitudinal , pero esto no es una limitación importante en los aceleradores con velocidades de rampa rápidas que se utilizan normalmente en los diseños FFA.
Las principales desventajas incluyen el hecho de que los VFFA requieren diseños de imanes inusuales y, actualmente, los diseños de VFFA solo se han simulado en lugar de probado.
Aplicaciones
Los aceleradores de 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 rápida aceleración de muones a altas energías antes de que tengan tiempo de descomponerse, 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 . Dichos ADSR serían intrínsecamente seguros, no tendrían peligro de fuga exponencial accidental y producirían relativamente poca cantidad de desechos transuránicos , con su larga vida útil y su potencial para la proliferación de armas nucleares .
Debido a su haz casi continuo y los intervalos de aceleración mínimos resultantes para altas energías, los FFA también han ganado interés como posibles partes de las futuras instalaciones de colisionadores de muones .
Estado
En la década de 1990, los 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 diseñó una máquina sin escala, denominada PAMELA, para acelerar tanto los protones como los núcleos de carbono para la terapia del cáncer. . [35] Mientras tanto, un ADSR que opera a 100 MeV se demostró en Japón en marzo de 2009 en la Asamblea Crítica de la Universidad de Kyoto (KUCA), logrando "reacciones nucleares sostenibles" con las barras de control de la asamblea crítica insertadas en el núcleo del reactor para amortiguarlo. por debajo de la criticidad.
Otras lecturas
- "El renacimiento de la FFAG" . Mensajero del CERN . 28 de julio de 2004 . Consultado el 11 de abril de 2012 .
Referencias
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