acelerador de partículas electrostático

Un acelerador de partículas electrostático es un acelerador en el que las partículas cargadas se aceleran a alta energía mediante un potencial estático de alto voltaje . La razón por la que solo se pueden acelerar partículas cargadas es que, según la fórmula F=qE, solo estas se ven afectadas por un campo eléctrico, lo que provoca su movimiento. Esto contrasta con la otra categoría principal de aceleradores de partículas, los aceleradores de partículas de campo oscilante , en los que las partículas se aceleran mediante campos eléctricos oscilantes.

Debido a su diseño más simple, los aceleradores electrostáticos fueron los primeros aceleradores de partículas. Los dos tipos más comunes son el generador Van de Graaff, inventado por Robert Van de Graaff en 1929, y el acelerador Cockcroft-Walton, inventado por John Cockcroft y Ernest Walton en 1932. La energía máxima de las partículas producida por los aceleradores electrostáticos está limitada por el voltaje máximo que puede alcanzar la máquina. Este voltaje, a su vez, está limitado por la ruptura del aislamiento a unos pocos megavoltios . Los aceleradores oscilantes no tienen esta limitación, por lo que pueden alcanzar energías de partículas más altas que las máquinas electrostáticas.

Las ventajas de los aceleradores electrostáticos sobre los aceleradores de campo oscilante incluyen un menor coste, la capacidad de producir haces continuos y corrientes de haz más elevadas, lo que los hace útiles para la industria. Por ello, son, con diferencia, los aceleradores de partículas más utilizados, con aplicaciones industriales como la producción de film retráctil , equipos de rayos X de alta potencia , radioterapia en medicina, producción de radioisótopos , implantadores de iones en la producción de semiconductores y esterilización. Muchas universidades de todo el mundo disponen de aceleradores electrostáticos para fines de investigación. Los aceleradores de campo oscilante de alta energía suelen incorporar un acelerador electrostático como primera etapa, para acelerar las partículas a una velocidad suficientemente alta como para inyectarlas en el acelerador principal.

Los aceleradores electrostáticos tienen una amplia gama de aplicaciones en la ciencia y la industria. En el ámbito de la investigación fundamental, se utilizan para proporcionar haces de núcleos atómicos para la investigación a energías de hasta varios cientos de MeV .

En la industria y la ciencia de los materiales, se utilizan para producir haces de iones para la modificación de materiales, incluyendo la implantación iónica y la mezcla de haces de iones. También existen diversas técnicas de análisis de materiales basadas en la aceleración electrostática de iones pesados, como la espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS), la emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE), la espectrometría de masas con acelerador (AMS), la detección de retroceso elástico (ERD), entre otras.

Aunque estas máquinas aceleran principalmente núcleos atómicos , existen varias máquinas compactas que se utilizan para acelerar electrones con fines industriales, como la esterilización de instrumentos médicos, la producción de rayos X y la producción de obleas de silicio. ^{[ 1 ]}

Una aplicación especial de los aceleradores de partículas electrostáticos son los aceleradores de polvo, en los que partículas de polvo cargadas eléctricamente, de tamaño nanométrico a micrométrico, se aceleran a velocidades de hasta 100  km/s. ^{[ 2 ]} Los aceleradores de polvo se utilizan para estudios de cráteres de impacto, ^{[ 3 ]} calibración de detectores de polvo de ionización de impacto , ^{[ 4 ]} y estudios de meteoritos. ^{[ 5 ]}

Utilizando un terminal de alto voltaje mantenido a un potencial estático del orden de millones de voltios, se pueden acelerar partículas cargadas . En términos sencillos, un generador electrostático es básicamente un condensador gigante (aunque sin placas). El alto voltaje se logra mediante los métodos de Cockcroft y Walton o Van de Graaff , y los aceleradores suelen recibir el nombre de estos inventores. El diseño original de Van de Graaff coloca electrones sobre una lámina aislante, o cinta, con un peine metálico, y luego la lámina transporta físicamente los electrones inmovilizados hasta el terminal. Aunque a alto voltaje, el terminal es un conductor, y hay un peine correspondiente dentro del conductor que puede recoger los electrones de la lámina; debido a la ley de Gauss , no hay campo eléctrico dentro de un conductor, por lo que los electrones no son repelidos por la plataforma una vez que están dentro. La cinta es similar a una cinta transportadora convencional , con una diferencia importante: es sin costuras. Por lo tanto, si la correa se rompe, el acelerador debe desmontarse parcialmente para reemplazarla, lo cual, debido a su rotación constante y a que suele ser de caucho , no es algo poco común. La dificultad práctica de las correas llevó a un medio diferente para transportar físicamente las cargas: una cadena de pellets. A diferencia de una cadena normal, esta es no conductora de un extremo al otro, ya que en su construcción se utilizan tanto aislantes como conductores. Este tipo de aceleradores se denominan habitualmente Pelletrones .

Una vez que la plataforma se carga eléctricamente mediante alguno de los métodos mencionados, se coloca una fuente de iones positivos en el extremo del haz, de ahí su nombre de terminal. Sin embargo, dado que la fuente de iones se mantiene a un potencial elevado, no es posible acceder a ella directamente para su control o mantenimiento. Por lo tanto, se pueden utilizar métodos como varillas de plástico conectadas a diversas palancas dentro del terminal, las cuales pueden activarse y desactivarse de forma remota. Si bien no se tienen en cuenta problemas prácticos, si la plataforma se carga positivamente, repele los iones de la misma polaridad eléctrica, acelerándolos. Como E = qV, donde E es la energía de emergencia, q es la carga iónica y V es la tensión del terminal, la energía máxima de las partículas aceleradas de esta manera está limitada prácticamente por el límite de descarga de la plataforma de alta tensión, aproximadamente 12  MV en condiciones atmosféricas ambientales. Este límite puede incrementarse, por ejemplo, manteniendo la plataforma de alto voltaje en un tanque de un gas aislante con una constante dieléctrica mayor que la del aire, como _el SF6 , cuya constante dieléctrica es aproximadamente 2,5 veces mayor que la del aire. Sin embargo, incluso en un tanque de SF6, _el voltaje máximo alcanzable es de alrededor de 30  MV. Podría haber otros gases con propiedades aislantes aún mejores, pero el SF6 _también es químicamente inerte y no tóxico . Para aumentar aún más la energía de aceleración máxima, se inventó el concepto de tándem para utilizar el mismo alto voltaje dos veces.

Convencionalmente, los iones con carga positiva se aceleran debido a la polaridad del núcleo atómico. Sin embargo, si se desea utilizar el mismo potencial eléctrico estático dos veces para acelerar iones , la polaridad de la carga de los iones debe cambiar de aniones a cationes o viceversa mientras se encuentran dentro del conductor, donde no experimentarán fuerza eléctrica. Resulta sencillo extraer electrones de un ion energético. Una de las propiedades de la interacción de los iones con la materia es el intercambio de electrones, mediante el cual el ion puede perder energía depositándola dentro de la materia, algo que intuitivamente esperamos de un proyectil disparado contra un sólido. Sin embargo, a medida que el objetivo se vuelve más delgado o el proyectil más energético, la cantidad de energía depositada en la lámina disminuye progresivamente.

Los tándems ubican la fuente de iones fuera del terminal, lo que significa que acceder a la fuente de iones mientras el terminal está a alto voltaje es significativamente menos difícil, especialmente si el terminal está dentro de un tanque de gas. Entonces, un haz de aniones de una fuente de iones de pulverización catódica se inyecta desde una plataforma de voltaje relativamente bajo hacia el terminal de alto voltaje. Dentro del terminal, el haz incide sobre una lámina delgada (del orden de microgramos por centímetro cuadrado), a menudo de carbono o berilio , arrancando electrones del haz de iones para que se conviertan en cationes. Como es difícil hacer aniones con un estado de carga mayor que -1, entonces la energía de las partículas que emergen de un tándem es E=(q+1)V, donde hemos añadido el segundo potencial de aceleración de ese anión al estado de carga positiva q que emerge de la lámina desprendiente; estamos sumando estos diferentes signos de carga porque estamos aumentando la energía del núcleo en cada fase. En este sentido, podemos ver claramente que un tándem puede duplicar la energía máxima de un haz de protones, cuyo estado de carga máximo es simplemente +1, pero la ventaja obtenida por un tándem tiene rendimientos decrecientes a medida que aumentamos la masa, ya que, por ejemplo, se podría obtener fácilmente un estado de carga 6+ de un haz de silicio .

No es posible convertir fácilmente cada elemento en un anión, por lo que es muy raro que los aceleradores tándem aceleren gases nobles más pesados ​​que el helio , aunque el KrF⁻ ^y el XeF⁻ ^se han producido y acelerado con éxito con un acelerador tándem. ^{[ 6 ]} Sin embargo, no es raro hacer compuestos para obtener aniones, y _el TiH₂ podría extraerse como TiH⁻ ^y usarse para producir un haz de protones, porque estos químicos simples, y a menudo débilmente unidos, se romperán en la lámina de separación terminal. La producción de haces de iones aniónicos fue un tema importante de estudio para la aplicación de aceleradores tándem, y se pueden encontrar recetas y rendimientos para la mayoría de los elementos en el Negative Ion Cookbook. ^{[ 7 ]} Los aceleradores tándem también pueden operar en modo terminal, donde funcionan como un acelerador electrostático de un solo extremo, que es una forma más común y práctica de hacer haces de gases nobles.

El nombre "tándem" proviene de este doble uso del mismo alto voltaje, aunque los tándems también pueden denominarse al estilo de los aceleradores electrostáticos convencionales, según el método de carga del terminal.

El MP Tandem van de Graaff es un tipo de acelerador tándem. Se instalaron diez de estos en el siglo XX; seis en Norteamérica ^{[ 8 ]} y cuatro en Europa. ^{[ 9 ]}

Un aspecto importante a considerar en los aceleradores electrostáticos es que, por lo general, las líneas de haz de vacío están hechas de acero. Sin embargo, no es viable conectar un tubo conductor de acero desde el terminal de alta tensión a tierra. Por ello, se ensamblan varios anillos de vidrio resistente, como Pyrex , de forma que su interfaz forme un sello de vacío, similar a una junta de cobre ; un solo tubo largo de vidrio podría implosionar o fracturarse al soportar su propio peso. Un aspecto crucial para la física es que estos anillos conductores intercalados contribuyen a crear un campo eléctrico más uniforme a lo largo de la columna aceleradora. Esta línea de haz de anillos de vidrio se sostiene simplemente por compresión en ambos extremos del terminal. Dado que el vidrio no es conductor, podría sostenerse desde tierra, pero, dependiendo del diseño, dichos soportes cerca del terminal podrían provocar una descarga eléctrica. En ocasiones, la compresión no es suficiente y toda la línea de haz puede colapsar y romperse. Esta idea es especialmente importante para el diseño de aceleradores tándem, ya que estos suelen tener líneas de haz más largas y deben pasar a través del terminal.

Generalmente, los aceleradores electrostáticos se disponen en línea horizontal. Sin embargo, algunos tándems pueden tener forma de "U", y en principio, el haz puede orientarse en cualquier dirección mediante un dipolo magnético en el terminal. Algunos aceleradores electrostáticos se disponen verticalmente, donde la fuente de iones o, en el caso de un tándem vertical en forma de U, el terminal, se ubica en la parte superior de una torre. Esta disposición en torre permite ahorrar espacio, y además, la línea de haz que conecta con el terminal, formada por anillos de vidrio, puede aprovechar la gravedad como fuente natural de compresión.

En un acelerador electrostático de un solo extremo, la partícula cargada se acelera a través de una única diferencia de potencial entre dos electrodos, por lo que la energía de la partícula de salida es...${\displaystyle E}$es igual a la carga de la partícula${\displaystyle q}$multiplicado por el voltaje de aceleración${\displaystyle V}$

${\displaystyle E=qV}$

En un acelerador en tándem, la partícula se acelera dos veces con el mismo voltaje, por lo que la energía de salida es${\displaystyle (1+q)V}$, ya que la forma aniónica tiene una sola carga. Si la carga${\displaystyle q}$está en unidades convencionales de culombios y el potencial${\displaystyle V}$Si el voltaje está en voltios, ^la energía de la partícula se dará en julios . Sin embargo, debido a que la carga de las partículas elementales es tan pequeña (la carga del electrón es de 1,6 × 10⁻¹⁹ culombios), la energía en julios es un número muy pequeño.

Dado que todas las partículas elementales tienen cargas que son múltiplos de la carga elemental del electrón,${\displaystyle e=1,6(10^{-19})}$Los físicos de partículas utilizan una unidad diferente para expresar las energías de las partículas: el electronvoltio (eV), lo que facilita los cálculos. El electronvoltio es igual a la energía que gana una partícula con una carga de 1e al pasar por una diferencia de potencial de un voltio. En la ecuación anterior, si${\displaystyle q}$se mide en cargas elementales e y${\displaystyle V}$está en voltios, la energía de la partícula${\displaystyle E}$La energía se expresa en eV. Por ejemplo, si una partícula alfa con una carga de 2e se acelera mediante una diferencia de potencial de un millón de voltios (1  MV), tendrá una energía de dos millones de electronvoltios, abreviado como 2  MeV. El voltaje de aceleración en las máquinas electrostáticas oscila entre 0,1 y 25  MV, y la carga de las partículas es de unas pocas cargas elementales, por lo que la energía de la partícula se encuentra en el rango de los MeV bajos. Los aceleradores más potentes pueden producir energías en el rango de los gigaelectronvoltios (GeV).

• Base de datos del OIEA de aceleradores electrostáticos