Fuerte enfoque

En física de aceleradores, el enfoque fuerte o de gradiente alterno se basa en el principio de que, mediante conjuntos de múltiples electroimanes , es posible lograr que un haz de partículas converja simultáneamente en ambas direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Por el contrario, el enfoque débil se basa en el principio de que los círculos cercanos, descritos por partículas cargadas que se mueven en un campo magnético uniforme, solo se intersecan una vez por revolución.

El teorema de Earnshaw demuestra que enfocar simultáneamente en dos direcciones transversales al eje del haz mediante un solo imán es imposible: un imán que enfoca en una dirección desenfocará en la dirección perpendicular. Sin embargo, los polos de hierro de un ciclotrón o dos o más imanes cuadrupolares espaciados (dispuestos en cuadratura ) pueden enfocar alternativamente horizontal y verticalmente, y el efecto global de una combinación de estos puede ajustarse para enfocar el haz en ambas direcciones. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El enfoque fuerte fue concebido por primera vez por Nicholas Christofilos en 1949, pero no se publicó (Christofilos optó en cambio por patentar su idea). ^{[ 3 ]} En 1952, el principio de enfoque fuerte fue desarrollado independientemente por Ernest Courant , M. Stanley Livingston , Hartland Snyder y J. Blewett en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , ^{[ 4 ] [ 5 ]} quienes posteriormente reconocieron la prioridad de la idea de Christofilos. ^{[ 6 ]} Las ventajas del enfoque fuerte se comprendieron rápidamente y se implementaron en el Sincrotrón de Gradiente Alterno .

Courant y Snyder descubrieron que el efecto neto de alternar el gradiente del campo era que tanto el enfoque vertical como el horizontal de los protones podían intensificarse simultáneamente, lo que permitía un control preciso de sus trayectorias en la máquina. Esto incrementó la intensidad del haz a la vez que redujo el coste total de construcción de un acelerador más potente. La teoría revolucionó el diseño de los ciclotrones y permitió el uso de campos magnéticos muy intensos, reduciendo drásticamente el tamaño de los imanes necesarios al minimizar el tamaño del haz. La mayoría de los aceleradores de partículas actuales utilizan el principio de enfoque intenso.

Los sistemas modernos suelen utilizar imanes multipolares, como los cuadrupolos y sextupolares , para enfocar el haz, ya que los imanes proporcionan un efecto de deflexión más potente que los sistemas electrostáticos anteriores a altas energías cinéticas del haz. Los imanes multipolares vuelven a enfocar el haz después de cada sección de deflexión, dado que estas secciones producen un efecto de desenfoque que puede contrarrestarse con una lente magnética convergente.

Esto puede representarse esquemáticamente como una secuencia de lentes divergentes y convergentes. Los cuadrupolos suelen disponerse en patrones denominados FODO (donde F enfoca verticalmente y desenfoca horizontalmente, D enfoca horizontalmente y desenfoca verticalmente, y O es un imán espacial o deflector). Siguiendo las trayectorias de las partículas del haz a través del sistema de enfoque, se observaría un patrón oscilante.

La acción de un conjunto de imanes lineales (es decir, solo dipolos, cuadrupolos y las regiones de deriva sin campo entre ellos) sobre un conjunto de partículas cargadas puede expresarse como matrices que pueden multiplicarse entre sí para obtener su efecto neto, utilizando el análisis de la matriz de transferencia de rayos . ^{[ 7 ]} Los términos de orden superior, como sextupolos, octupolos, etc., pueden tratarse mediante diversos métodos, según los fenómenos de interés.

• Cañón de electrones : utiliza campos cilíndricos simétricos, como los que proporciona un cilindro de Wehnelt, para enfocar un haz de electrones.
• Maglev – también se ha sugerido el uso de un enfoque fuerte

• Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley: Mundo de haces. Archivado el 2 de marzo de 2005 en Wayback Machine.