Un acelerador de partículas lineal (a menudo abreviado como linac ) es un tipo de acelerador de partículas que acelera partículas o iones subatómicos cargados a una alta velocidad sometiéndolos a una serie de potenciales eléctricos oscilantes a lo largo de una línea de luz lineal . Los principios para tales máquinas fueron propuestos por Gustav Ising en 1924, [1] mientras que la primera máquina que funcionó fue construida por Rolf Widerøe en 1928 [2] en la Universidad RWTH Aachen . Los Linacs tienen muchas aplicaciones: generan rayos X y electrones de alta energía para fines medicinales en radioterapia , sirven como inyectores de partículas para aceleradores de alta energía y se utilizan directamente para lograr la energía cinética más alta para partículas ligeras (electrones y positrones) para la física de partículas .
El diseño de un linac depende del tipo de partícula que se acelera: electrones , protones o iones . Los linac varían en tamaño, desde un tubo de rayos catódicos (que es un tipo de linac) hasta el linac de 3,2 kilómetros de largo (2,0 millas) en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Menlo Park, California .
Ver diagrama animado. Un acelerador de partículas lineal consta de las siguientes partes:
Como se muestra en la animación, el voltaje oscilante aplicado a los electrodos cilíndricos alternos tiene polaridad opuesta (180 ° fuera de fase ), por lo que los electrodos adyacentes tienen voltajes opuestos. Esto crea un campo eléctrico oscilante (E)en el espacio entre cada par de electrodos, que ejerce fuerza sobre las partículas cuando pasan, impartiéndoles energía al acelerarlas. La fuente de partículas inyecta un grupo de partículas en el primer electrodo una vez en cada ciclo del voltaje, cuando la carga del electrodo es opuesta a la carga de las partículas. Los electrodos tienen la longitud correcta para que las partículas en aceleración necesiten exactamente medio ciclo para pasar a través de cada electrodo. Cada vez que el grupo de partículas pasa a través de un electrodo, el voltaje oscilante cambia de polaridad, por lo que cuando las partículas alcanzan el espacio entre los electrodos, el campo eléctrico está en la dirección correcta para acelerarlas. Por lo tanto, las partículas se aceleran a una velocidad más rápida cada vez que pasan entre electrodos;hay poco campo eléctrico dentro de los electrodos, por lo que las partículas viajan a una velocidad constante dentro de cada electrodo.
Las partículas se inyectan en el momento adecuado para que el diferencial de voltaje oscilante entre electrodos sea máximo a medida que las partículas cruzan cada espacio. Si el voltaje pico aplicado entre los electrodos es voltios , y la carga de cada partícula son cargas elementales , la partícula gana un incremento igual de energía de electrón voltios al pasar por cada espacio. Por tanto, la energía de salida de las partículas es
electronvoltios, donde es el número de electrodos de aceleración en la máquina.
A velocidades cercanas a la velocidad de la luz, el aumento de velocidad incremental será pequeño, y la energía aparecerá como un aumento en la masa de las partículas. En las partes del acelerador en las que esto ocurre, las longitudes de los electrodos tubulares serán casi constantes. Pueden incluirse elementos de lentes magnéticos o electrostáticos adicionales para asegurar que el haz permanezca en el centro de la tubería y sus electrodos. Los aceleradores muy largos pueden mantener una alineación precisa de sus componentes mediante el uso de servosistemas guiados por un rayo láser.
Actualmente (2021) se encuentran en desarrollo varios conceptos nuevos. El objetivo principal es hacer que los aceleradores lineales sean más baratos, con haces mejor enfocados, mayor energía o mayor corriente de haz.
Los aceleradores lineales de inducción utilizan el campo eléctrico inducido por un campo magnético variable en el tiempo para la aceleración, como el betatrón . El haz de partículas pasa a través de una serie de núcleos de ferrita en forma de anillo colocados uno detrás del otro, que son magnetizados por pulsos de alta corriente y, a su vez, generan cada uno un pulso de intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje de la dirección del haz. Los aceleradores lineales de inducción se consideran para pulsos cortos de alta corriente de electrones, pero también de iones pesados. [3] El concepto se remonta al trabajo de Nicholas Christofilos . [4] Su realización depende en gran medida del progreso en el desarrollo de ferrita más adecuada.materiales. Con electrones, se lograron corrientes de pulso de hasta 5 kiloamperios a energías de hasta 5 MeV y duraciones de pulso en el rango de 20 a 300 nanosegundos. [5]
En los aceleradores lineales de electrones anteriores, las partículas aceleradas se utilizan solo una vez y luego se introducen en un absorbedor (descarga de haz) , en el que su energía residual se convierte en calor. En un Energy Recovery Linac (ERL; literalmente: "Acelerador lineal de recuperación de energía"), en cambio, el acelerado en resonadores y, por ejemplo, en onduladores . Los electrones utilizados se retroalimentan a través del acelerador, desfasados 180 grados. Por lo tanto, pasan a través de los resonadores en la fase de desaceleración y, por lo tanto, devuelven la energía restante al campo. El concepto es comparable a la propulsión híbrida de los vehículos de motor, donde la energía cinética liberada durante el frenado está disponible para la siguiente aceleración al cargar una batería.
El Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Helmholtz-Zentrum Berlin con el proyecto "bERLinPro" informaron sobre el trabajo de desarrollo correspondiente. El acelerador experimental de Berlín utiliza resonadores de cavidad de niobio superconductores del tipo mencionado anteriormente. En 2014, tres láseres de electrones libres basados en Energy Recovery Linacs estaban en funcionamiento en todo el mundo : en el Jefferson Lab (EE. UU.), En el Budker Institute of Nuclear Physics (Rusia) y en JAEA (Japón). [6] En la Universidad de Mainz , se está construyendo un ERL llamado MESA y debería (a partir de 2019) entrar en funcionamiento en 2022.
El concepto de Compact Linear Collider (CLIC) (nombre original CERN Linear Collider , con la misma abreviatura) para electrones y positrones proporciona un acelerador de onda viajera para energías del orden de 1 tera-electrón voltio (TeV). [7] En lugar de los numerosos amplificadores klystron necesarios para generar la potencia de aceleración, se utilizará un segundo acelerador lineal de electrones paralelos de menor energía, que trabaja con cavidades superconductoras en las que se forman ondas estacionarias. La energía de alta frecuencia se extrae a intervalos regulares y se transmite al acelerador principal. De esta forma, debería conseguirse la muy alta intensidad de campo de aceleración de 80 MV / m.
En los resonadores de cavidad, la rigidez dieléctrica limita la aceleración máxima que se puede lograr dentro de una cierta distancia. Este límite se puede eludir utilizando ondas aceleradas en plasma para generar el campo de aceleración en los aceleradores de Kielfeld : un rayo láser o de partículas excita una oscilación en un plasma , que está asociada con intensidades de campo eléctrico muy fuertes. Esto significa que es posible construir aceleradores lineales significativamente más compactos (factores de 100 a 1000). Los experimentos que involucran láseres de alta potencia en plasmas de vapor de metal sugieren que una reducción de la longitud de la línea del haz de algunas decenas de metros a unos pocos cm es bastante posible.
El programa de LUZ (acelerador lineal para guiada por imagen terapia de hadrones) espera crear un diseño capaz de acelerar protones a 200MeV o menos para uso médico sobre una distancia de unas pocas decenas de metros, mediante la optimización y anidando técnicas de aceleración existentes [8] El actual El diseño (2020) utiliza la frecuencia de manojo práctica más alta (actualmente ~ 3GHz) para un cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) desde la inyección a 50kVdC a ~ 5MeV en racimos, un Linac de tubo de deriva acoplado lateralmente (SCDTL) para acelerar de 5Mev a ~ 40MeV y una etapa final de etapa de Linac acoplado a células (CCL), llevando la salida a 200-230MeV. Cada etapa está optimizada para permitir un acoplamiento estrecho y un funcionamiento sincrónico durante la acumulación de energía del haz. El objetivo del proyecto es hacer de la terapia de protones una medicina convencional más accesible como alternativa a la radioterapia existente.
Cuanto mayor sea la frecuencia de la tensión de aceleración seleccionada, más impulsos de aceleración individuales por longitud de trayectoria experimentará una partícula de una velocidad dada y, por lo tanto, más corto puede ser el acelerador en general. Es por eso que la tecnología de aceleradores se desarrolló en la búsqueda de energías de partículas más altas, especialmente hacia frecuencias más altas.
Los conceptos de acelerador lineal (a menudo llamados estructuras de acelerador en términos técnicos) que se han utilizado desde alrededor de 1950 funcionan con frecuencias en el rango de alrededor de 100 megahercios (MHz) a unos pocos gigahercios (GHz) y utilizan el componente de campo eléctrico de las ondas electromagnéticas.
Cuando se trata de energías de más de unos pocos MeV, los aceleradores de iones son diferentes de los de electrones. La razón de esto es la gran diferencia de masa entre las partículas. Los electrones ya están cerca de la velocidad de la luz , el límite absoluto de velocidad, a unos pocos MeV; con una mayor aceleración, como la describe la mecánica relativista , casi solo aumentan su energía y su momento . Por otro lado, con iones de este rango de energía, la velocidad también aumenta significativamente debido a una mayor aceleración.
Los conceptos de aceleración que se utilizan hoy en día para los iones siempre se basan en ondas estacionarias electromagnéticas que se forman en resonadores adecuados . Dependiendo del tipo de partícula, rango de energía y otros parámetros, se utilizan tipos de resonadores muy diferentes; las siguientes secciones solo cubren algunos de ellos. Los electrones también pueden acelerarse con ondas estacionarias por encima de unos pocos MeV. Una alternativa ventajosa aquí, sin embargo, es una onda progresiva, una onda viajera. La velocidad de fase de la onda viajera debe ser aproximadamente igual a la velocidad de la partícula. Por lo tanto, esta técnica solo es adecuada cuando las partículas están casi a la velocidad de la luz, por lo que su velocidad solo aumenta muy poco.
El desarrollo de osciladores de alta frecuencia y amplificadores de potencia de la década de 1940, especialmente el klystron, fue esencial para estas dos técnicas de aceleración. El primer acelerador lineal más grande con ondas estacionarias, para protones, se construyó en 1945/46 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley bajo la dirección de Luis W. Alvarez . La frecuencia utilizada fue de 200 MHz. El primer acelerador de electrones con ondas viajeras de alrededor de 2 GHz (gigahercios) fue desarrollado un poco más tarde en la Universidad de Stanford por WW Hansen y sus colegas. [9]
En los dos diagramas, la curva y las flechas indican la fuerza que actúa sobre las partículas. Solo en los puntos con la dirección correcta del vector de campo eléctrico, es decir, la dirección correcta de la fuerza, las partículas pueden absorber energía de la onda. (No se puede ver un aumento de velocidad en la escala de estas imágenes).
El acelerador lineal podría producir energías de partículas más altas que los aceleradores de partículas electrostáticos anteriores (el acelerador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff ) que estaban en uso cuando se inventó. En estas máquinas, las partículas solo se aceleraron una vez por el voltaje aplicado, por lo que la energía de las partículas en electronvoltios fue igual al voltaje de aceleración en la máquina, que se limitó a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aislamiento. En el linac, las partículas se aceleran varias veces por el voltaje aplicado, por lo que la energía de las partículas no está limitada por el voltaje de aceleración.
También se están desarrollando linacs de alta potencia para la producción de electrones a velocidades relativistas, necesarias ya que los electrones rápidos que viajan en un arco perderán energía a través de la radiación de sincrotrón.; esto limita la potencia máxima que se puede impartir a los electrones en un sincrotrón de tamaño dado. Los Linacs también son capaces de producir una producción prodigiosa, produciendo un flujo casi continuo de partículas, mientras que un sincrotrón solo elevará periódicamente las partículas a la energía suficiente para merecer un "disparo" en el objetivo. (La ráfaga se puede retener o almacenar en el anillo a energía para que la electrónica experimental tenga tiempo de funcionar, pero la corriente de salida promedio todavía es limitada). La alta densidad de la salida hace que el linac sea particularmente atractivo para su uso en instalaciones de anillo de almacenamiento de carga. con partículas en preparación para colisiones de partículas a partículas. La alta producción de masa también hace que el dispositivo sea práctico para la producción de antimateria.partículas, que generalmente son difíciles de obtener, son solo una pequeña fracción de los productos de colisión de un objetivo. Estos pueden almacenarse y utilizarse posteriormente para estudiar la aniquilación de materia-antimateria.
La radioterapia basada en Linac para el tratamiento del cáncer comenzó con el primer paciente tratado en 1953 en Londres, Reino Unido, en el Hospital Hammersmith , con una máquina de 8 MV construida por Metropolitan-Vickers e instalada en 1952, como el primer linac médico dedicado. [10] [11] Poco tiempo después, en 1954, se instaló un linac de 6 MV en Stanford, EE. UU., Que comenzó los tratamientos en 1956.
Los aceleradores lineales médicos aceleran los electrones utilizando una guía de ondas de cavidad sintonizada, en la que la potencia de RF crea una onda estacionaria . Algunos linacs tienen guías de ondas cortas montadas verticalmente, mientras que las máquinas de mayor energía tienden a tener una guía de ondas horizontal más larga y un imán de flexión para girar el haz verticalmente hacia el paciente. Los linacs médicos utilizan haces de electrones monoenergéticos de entre 4 y 25 MeV, lo que genera una salida de rayos X con un espectro de energías hasta e incluyendo la energía del electrón cuando los electrones se dirigen a un objetivo de alta densidad (como el tungsteno ). Los electrones o los rayos X se pueden usar para tratar enfermedades tanto benignas como malignas. El LINAC produce un haz de radiación confiable, flexible y preciso. La versatilidad de LINAC es una ventaja potencial sobrela terapia con cobalto como herramienta de tratamiento. Además, el dispositivo puede simplemente apagarse cuando no esté en uso; no hay ninguna fuente que requiera un blindaje pesado, aunque la propia sala de tratamiento requiere un blindaje considerable de las paredes, puertas, techo, etc. para evitar el escape de la radiación dispersa. El uso prolongado de máquinas de alta potencia (> 18 MeV) puede inducir una cantidad significativa de radiación dentro de las partes metálicas del cabezal de la máquina después de que se haya quitado la energía a la máquina (es decir, se convierten en una fuente activa y se deben tomar las precauciones necesarias ).
La escasez esperada [ ¿cuál? ] de Mo-99 , y el isótopo médico tecnecio-99m obtenido de él, también han arrojado luz sobre la tecnología de aceleradores lineales para producir Mo-99 a partir de uranio no enriquecido mediante bombardeo de neutrones. Esto permitiría a la industria de los isótopos médicos fabricar este isótopo crucial mediante un proceso subcrítico. Las antiguas instalaciones, por ejemplo, los Laboratorios Chalk River en Ontario, Canadá, que todavía producen la mayor parte del Mo-99 a partir de uranio altamente enriquecido, podrían ser reemplazadas por este nuevo proceso. De esta forma, la carga subcrítica de sales de uranio solubles en agua pesadacon el posterior bombardeo de fotoneutrones y la extracción del producto objetivo, Mo-99, se logrará. [12] [se necesita una mejor fuente ]
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