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Un haz de partículas es una corriente de partículas cargadas o neutras . En los aceleradores de partículas, estas partículas pueden moverse con una velocidad cercana a la velocidad de la luz . Existe una diferencia entre la creación y el control de haces de partículas cargadas y haces de partículas neutrales, ya que solo el primer tipo puede ser manipulado en una extensión suficiente por dispositivos basados en electromagnetismo . La manipulación y el diagnóstico de haces de partículas cargadas a altas energías cinéticas utilizando aceleradores de partículas son temas principales de la física de aceleradores .
Las partículas cargadas como electrones , positrones y protones pueden separarse de su entorno común. Esto se puede lograr mediante, por ejemplo, emisión termoiónica o descarga de arco . Los siguientes dispositivos se utilizan comúnmente como fuentes de haces de partículas:
Vigas cargadas pueden acelerarse adicionalmente mediante el uso de alta resonante, a veces también superconductor , cavidades de microondas . Estos dispositivos aceleran las partículas mediante la interacción con un campo electromagnético . Dado que la longitud de onda de los dispositivos conductores macroscópicos huecos está en la banda de radiofrecuencia (RF), el diseño de dichas cavidades y otros dispositivos de RF también forma parte de la física del acelerador.
Más recientemente, la aceleración del plasma ha surgido como una posibilidad para acelerar partículas en un medio de plasma , utilizando la energía electromagnética de sistemas láser pulsados de alta potencia o la energía cinética de otras partículas cargadas. Esta técnica está en desarrollo activo, pero no puede proporcionar haces confiables de calidad suficiente en la actualidad.
En todos los casos, el haz se dirige con imanes dipolo y se enfoca con imanes cuadripolares . Con el objetivo final de alcanzar la posición deseada y el tamaño del punto del haz en el experimento.
Los haces de partículas de alta energía se utilizan para experimentos de física de partículas en grandes instalaciones; los ejemplos más comunes son el Gran Colisionador de Hadrones y el Tevatron .
Los haces de electrones se emplean en fuentes de luz de sincrotrón para producir radiación de rayos X con un espectro continuo en una banda de frecuencia amplia que se denomina radiación de sincrotrón . Esta radiación de rayos X se utiliza en las líneas de luz de las fuentes de luz de sincrotrón para una variedad de espectroscopias ( XAS , XANES , EXAFS , µ -XRF , µ -XRD ) con el fin de sondear y caracterizar la estructura y la especiación química de sólidos y materiales biológicos.
Los haces de partículas energéticas que consisten en protones , neutrones o iones positivos (también llamados microhaces de partículas ) también pueden usarse para el tratamiento del cáncer en la terapia de partículas.
Muchos fenómenos en astrofísica se atribuyen a haces de partículas de diversos tipos. Quizás de estos, el más icónico es el estallido de radio solar Tipo III , debido a un haz de electrones levemente relativista.
Aunque los rayos de partículas son quizás los más famosos empleados como sistemas de armas de energía dirigida en la ciencia ficción , la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de EE. UU. Comenzó a trabajar en armas de rayos de partículas en 1958. [3] La idea general de este tipo de armamento es golpear un objeto objetivo con un corriente de partículas aceleradas con alta energía cinética , que luego se transfiere a los átomos o moléculas del objetivo. La potencia necesaria para proyectar un rayo de alta potencia de este tipo supera la capacidad de producción de cualquier central eléctrica estándar en el campo de batalla, [3] por lo que no se prevé que tales armas se produzcan en un futuro previsible.