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Articulo de referencia

acelerador lineal de partículas

El acelerador lineal del sincrotrón australiano utiliza ondas de radio procedentes de una serie de cavidades de radiofrecuencia situadas al inicio del acelerador para acelerar e...

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El acelerador lineal del sincrotrón australiano utiliza ondas de radio procedentes de una serie de cavidades de radiofrecuencia situadas al inicio del acelerador para acelerar el haz de electrones en paquetes hasta alcanzar energías de 100  MeV.

Un acelerador lineal de partículas (a menudo abreviado como linac ) es un tipo de acelerador de partículas que acelera partículas subatómicas cargadas o iones a alta velocidad sometiéndolas a una serie de potenciales eléctricos oscilantes a lo largo de una línea de haz lineal . Los principios de estas 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 . [ 3 ] [ 4 ] Los linacs tienen muchas aplicaciones: generan rayos X y electrones de alta energía para fines médicos en radioterapia , sirven como inyectores de partículas para aceleradores de mayor energía y se utilizan directamente para lograr la mayor energía cinética para partículas ligeras (electrones y positrones) para la física de partículas .

El diseño de un acelerador lineal depende del tipo de partícula que se acelera: electrones , protones o iones. Los aceleradores lineales varían en tamaño, desde un tubo de rayos catódicos (que es un tipo de acelerador lineal) hasta el acelerador lineal de 3,2 kilómetros (2,0 millas) de longitud del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park, California . 

Historia

Concepto de acelerador lineal de Wideroe. El voltaje de una fuente de radiofrecuencia se conecta a una serie de tubos que protegen la partícula entre espacios.
acelerador lineal tipo Álvarez

En 1924, Gustav Ising publicó la primera descripción de un acelerador lineal de partículas que utilizaba una serie de espacios aceleradores. Las partículas se desplazarían por una serie de tubos. A una frecuencia regular, se aplicaría un voltaje acelerador a través de cada espacio. A medida que las partículas ganaban velocidad, manteniendo la frecuencia constante, los espacios se irían separando cada vez más para asegurar que la partícula recibiera un voltaje al llegar a cada uno de ellos. Ising nunca logró implementar con éxito este diseño. [ 5 ]

Rolf Wideroe descubrió el artículo de Ising en 1927 y, como parte de su tesis doctoral, construyó una versión del dispositivo de 88 pulgadas de largo y dos espacios. Mientras que Ising había propuesto un espacio de chispa como fuente de voltaje, Wideroe utilizó un oscilador de tubo de vacío de 25 kV . Demostró con éxito que había acelerado iones de sodio y potasio a una energía de 50 000 electronvoltios (50 keV), el doble de la energía que habrían recibido si se hubieran acelerado solo una vez con el tubo. Al acelerar con éxito una partícula varias veces utilizando la misma fuente de voltaje, Wideroe demostró la utilidad de la aceleración por radiofrecuencia (RF). [ 6 ]

Este tipo de acelerador lineal estaba limitado por las fuentes de voltaje disponibles en ese momento, y no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que Luis Álvarez pudo utilizar osciladores de alta frecuencia de reciente desarrollo para diseñar el primer acelerador lineal de tubo de deriva de cavidad resonante. Un acelerador lineal de Álvarez se diferencia del tipo Wideroe en que la potencia de radiofrecuencia se aplica a toda la cámara resonante a través de la cual viaja la partícula, y los tubos centrales solo se utilizan para proteger las partículas durante la fase de desaceleración del oscilador. Gracias a este enfoque de aceleración, el primer acelerador lineal de Álvarez pudo alcanzar energías de protones de 31,5 MeV en 1947, la más alta jamás alcanzada hasta entonces. [ 7 ]

Los aceleradores lineales iniciales de tipo Alvarez carecían de un mecanismo robusto para mantener el haz enfocado, lo que limitaba su longitud y energía. El desarrollo del principio de enfoque fuerte a principios de la década de 1950 propició la instalación de imanes cuadrupolares de enfoque dentro de los tubos de deriva, lo que permitió la construcción de aceleradores lineales más largos y, por lo tanto, más potentes. Dos de los primeros ejemplos de aceleradores lineales Alvarez con potentes imanes de enfoque se construyeron en el CERN y en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . [ 8 ]

En 1947, casi al mismo tiempo que Álvarez desarrollaba su concepto de acelerador lineal para protones, William Hansen construyó el primer acelerador de electrones de onda viajera en la Universidad de Stanford. [ 9 ] Los electrones son considerablemente más ligeros que los protones, por lo que alcanzan velocidades cercanas a la de la luz al inicio del proceso de aceleración. Como resultado, los electrones "acelerados" aumentan su energía, pero desde el punto de vista del diseño del acelerador, pueden considerarse con una velocidad constante. Esto permitió a Hansen utilizar una estructura aceleradora que consistía en una guía de ondas horizontal cargada por una serie de discos. El acelerador de 1947 tenía una energía de 6 MeV. Con el tiempo, la aceleración de electrones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC se extendería hasta alcanzar un tamaño de 3,2 km (2 millas ) y una energía de salida de 50 GeV. [ 10 ] 

A medida que se desarrollaban aceleradores lineales con corrientes de haz más altas, el uso de campos magnéticos para enfocar haces de protones e iones pesados ​​presentaba dificultades en las etapas iniciales del acelerador. Dado que la fuerza magnética depende de la velocidad de la partícula, era deseable crear un tipo de acelerador que pudiera acelerar y enfocar simultáneamente hadrones de energía baja a media . [ 11 ] En 1970, los físicos soviéticos I. M. Kapchinsky y Vladimir Teplyakov propusieron la estructura aceleradora de tipo cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ). Los RFQ utilizan paletas o varillas con formas diseñadas con precisión en una cavidad resonante para producir campos eléctricos complejos. Estos campos proporcionan aceleración y enfoque simultáneos a los haces de partículas inyectados. [ 12 ]

A partir de la década de 1960, científicos de Stanford y otros lugares comenzaron a explorar el uso de cavidades de radiofrecuencia superconductoras para la aceleración de partículas. [ 13 ] Las cavidades superconductoras hechas de aleaciones de niobio permiten una aceleración mucho más eficiente, ya que una fracción sustancialmente mayor de la potencia de entrada se puede aplicar al haz en lugar de perderse en forma de calor. Algunos de los primeros aceleradores lineales superconductores incluyeron el Acelerador Lineal Superconductor (para electrones) en Stanford [ 14 ] y el Sistema de Acelerador Lineal en Tándem de Argonne (para protones e iones pesados) en el Laboratorio Nacional de Argonne . [ 15 ]

Principios básicos de funcionamiento

Animación que muestra el funcionamiento de un acelerador lineal. En este ejemplo, se supone que las partículas aceleradas (puntos rojos) tienen carga positiva. El gráfico V (x) muestra el potencial eléctrico a lo largo del eje del acelerador en cada instante. La polaridad del voltaje de radiofrecuencia se invierte a medida que la partícula pasa por cada electrodo, de modo que cuando la partícula cruza cada espacio, el campo eléctrico (E, flechas) tiene la dirección correcta para acelerarla. La animación muestra una sola partícula siendo acelerada en cada ciclo; en los aceleradores lineales reales, se inyecta y acelera un gran número de partículas en cada ciclo. La acción se muestra enormemente ralentizada.

Aceleración por radiofrecuencia

Cuando una partícula cargada se coloca en un campo electromagnético , experimenta una fuerza dada por la ley de Lorentz :

F→=qmi→+qv→×B→{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q{\vec {v}}\times {\vec {B}}}

dóndeq{\displaystyle q}es la carga de la partícula,mi→{\displaystyle {\vec {E}}}es el campo eléctrico,v→{\displaystyle {\vec {v}}}es la velocidad de la partícula, yB→{\displaystyle {\vec {B}}}es el campo magnético. El producto vectorial en el término del campo magnético significa que los campos magnéticos estáticos no pueden usarse para la aceleración de partículas, ya que la fuerza magnética actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento de la partícula. [ 16 ]

Dado que la ruptura electrostática limita el voltaje constante máximo que se puede aplicar a través de un espacio para producir un campo eléctrico, la mayoría de los aceleradores utilizan alguna forma de aceleración por radiofrecuencia (RF). En la aceleración por RF, la partícula atraviesa una serie de regiones de aceleración, impulsada por una fuente de voltaje, de tal manera que percibe un campo acelerador al cruzar cada región. En este tipo de aceleración, las partículas deben necesariamente viajar en "grupos" que corresponden a la porción del ciclo del oscilador donde el campo eléctrico apunta en la dirección de aceleración deseada. [ 17 ]

Si se utiliza una única fuente de voltaje oscilante para alimentar una serie de espacios, estos deben colocarse cada vez más separados a medida que aumenta la velocidad de la partícula. Esto garantiza que la partícula "vea" la misma fase del ciclo del oscilador al llegar a cada espacio. A medida que las partículas se aproximan asintóticamente a la velocidad de la luz, la separación entre los espacios se vuelve constante: la fuerza adicional aplicada aumenta la energía de las partículas, pero no altera significativamente su velocidad. [ 16 ] : 9-12

Enfoque

Para asegurar que las partículas no escapen del acelerador, es necesario proporcionar algún tipo de enfoque para redirigir las partículas que se desvían de la trayectoria central hacia la trayectoria prevista. Con el descubrimiento del enfoque fuerte , se utilizan imanes cuadrupolares para redirigir activamente las partículas que se desvían de la trayectoria de referencia. Dado que los imanes cuadrupolares enfocan en una dirección transversal y desenfocan en la dirección perpendicular, es necesario utilizar grupos de imanes para proporcionar un efecto de enfoque general en ambas direcciones. [ 16 ]

Estabilidad de fase

El enfoque en la dirección de propagación, también conocido como estabilidad de fase , es una propiedad inherente de la aceleración por radiofrecuencia. Si todas las partículas de un haz alcanzan la región de aceleración durante la fase ascendente del campo oscilante, las partículas que llegan antes experimentarán un voltaje ligeramente menor que la partícula de referencia en el centro del haz. Por lo tanto, estas partículas recibirán una aceleración ligeramente menor y, finalmente, se quedarán rezagadas con respecto a la partícula de referencia. De forma similar, las partículas que llegan después de la partícula de referencia recibirán una aceleración ligeramente mayor y, como resultado, la alcanzarán. Esta corrección automática se produce en cada intervalo de aceleración, de modo que el haz se vuelve a enfocar en la dirección de propagación cada vez que se acelera. [ 17 ] : 30–52

Construcción y operación

Los imanes cuadrupolares que rodean el acelerador lineal del sincrotrón australiano se utilizan para ayudar a enfocar el haz de electrones.
Edificio que cubre el tubo de haz de 3,2 km (2 millas) del acelerador lineal de Stanford (SLAC) en Menlo Park, California, el segundo acelerador lineal más potente del mundo. Tiene unos 80.000 electrodos aceleradores y podría acelerar electrones a 50 GeV. 

Un acelerador lineal de partículas consta de las siguientes partes:

  • Una cámara de vacío de tubo hueco recto que contiene los demás componentes. Se evacúa con una bomba de vacío para evitar que las partículas aceleradas colisionen con las moléculas de aire. La longitud varía según la aplicación. Si el dispositivo se utiliza para la producción de rayos X para inspección o terapia, el tubo puede tener solo entre 0,5 y 1,5 metros de longitud. [ 18 ] Si el dispositivo se va a utilizar como inyector para un sincrotrón , puede tener unos diez metros de longitud. [ 19 ] Si el dispositivo se utiliza como acelerador primario para investigaciones de partículas nucleares, puede tener varios miles de metros de longitud. [ 20 ]
  • La fuente de partículas (S) en un extremo de la cámara produce las partículas cargadas que la máquina acelera. El diseño de la fuente depende de la partícula que se acelera. Los electrones se generan mediante un cátodo frío , un cátodo caliente , un fotocátodo o fuentes de iones de radiofrecuencia . Los protones se generan en una fuente de iones , que puede tener diversos diseños. Si se van a acelerar partículas más pesadas (por ejemplo, iones de uranio ), se necesita una fuente de iones especializada. La fuente cuenta con su propio suministro de alto voltaje para inyectar las partículas en la línea de haz. [ 21 ]
  • A lo largo del tubo, desde la fuente, se extiende una serie de electrodos cilíndricos abiertos (C1, C2, C3, C4) , cuya longitud aumenta progresivamente con la distancia a la fuente. Las partículas procedentes de la fuente pasan a través de estos electrodos. La longitud de cada electrodo está determinada por la frecuencia y la potencia de la fuente de alimentación y la partícula que se va a acelerar, de modo que la partícula pasa por cada electrodo en exactamente medio ciclo de la tensión de aceleración. La masa de la partícula influye considerablemente en la longitud de los electrodos cilíndricos; por ejemplo, un electrón es considerablemente más ligero que un protón y, por lo tanto, generalmente requerirá una sección mucho menor de electrodos cilíndricos, ya que se acelera muy rápidamente.
  • Un blanco con el que colisionan las partículas, situado al final de los electrodos aceleradores. Si se aceleran electrones para producir rayos X, se utiliza un blanco de tungsteno refrigerado por agua . Se emplean diversos materiales de blanco cuando se aceleran protones u otros núcleos, según la investigación específica. Detrás del blanco se encuentran varios detectores para detectar las partículas resultantes de la colisión de las partículas incidentes con los átomos del blanco. Muchos aceleradores lineales sirven como etapa inicial de aceleración para aceleradores de partículas más grandes, como sincrotrones y anillos de almacenamiento , y en este caso, después de salir de los electrodos, las partículas aceleradas entran en la siguiente etapa del acelerador.
  • Un oscilador y amplificador electrónico (G) genera un voltaje de CA de radiofrecuencia de alto potencial (generalmente miles de voltios) que se aplica a los electrodos cilíndricos. Este es el voltaje acelerador que produce el campo eléctrico que acelera las partículas. Se aplica un voltaje de fase opuesta a los electrodos sucesivos. Un acelerador de alta potencia tendrá un amplificador independiente para alimentar cada electrodo, todos sincronizados a la misma frecuencia.

Como se muestra en la animación, el voltaje oscilante aplicado a electrodos cilíndricos alternos tiene polaridad opuesta (180° desfasado ), 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 a través de él, impartiéndoles energía al acelerarlas. La fuente de partículas inyecta un grupo de partículas en el primer electrodo una vez por cada ciclo del voltaje, cuando la carga en el electrodo es opuesta a la carga de las partículas. Cada vez que el grupo de partículas pasa por un electrodo, el voltaje oscilante cambia de polaridad, de modo que cuando las partículas llegan al espacio entre electrodos, el campo eléctrico está en la dirección correcta para acelerarlas. Por lo tanto, las partículas se aceleran a una velocidad mayor 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 la diferencia de voltaje oscilante entre los electrodos sea máxima cuando las partículas cruzan cada espacio. Si el voltaje pico aplicado entre los electrodos esVpag{\displaystyle V_{p}}voltios, y la carga de cada partícula esq{\displaystyle q}cargas elementales , la partícula gana un incremento igual de energía deqVpag{\displaystyle qV_{p}}electronvoltios al pasar a través de cada espacio. Por lo tanto, la energía de salida de las partículas es

mi=qnorteVpag{\displaystyle E=qNV_{p}}

electronvoltios, dondenorte{\displaystyle N}es el número de electrodos aceleradores en la máquina.

A velocidades cercanas a la de la luz, el incremento de velocidad será pequeño, manifestándose la energía como un aumento en la masa de las partículas. En las secciones del acelerador donde esto ocurre, la longitud de los electrodos tubulares será prácticamente constante. Se pueden incluir elementos de lente magnéticos o electrostáticos adicionales para asegurar que el haz permanezca en el centro del tubo y sus electrodos. Los aceleradores muy largos pueden mantener una alineación precisa de sus componentes mediante sistemas de servocontrol guiados por un haz láser.

Conceptos en desarrollo

En 2021 se estaban desarrollando varios conceptos nuevos. El objetivo principal era abaratar los aceleradores lineales, logrando haces mejor enfocados, mayor energía o mayor corriente de haz.

acelerador lineal de inducción

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 dispuestos uno tras otro, que se magnetizan mediante pulsos de alta corriente y, a su vez, cada uno genera 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. [ 22 ] El concepto se remonta al trabajo de Nicholas Christofilos . [ 23 ] Su realización depende en gran medida del progreso en el desarrollo de materiales de ferrita más adecuados . 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. [ 24 ]

acelerador lineal de recuperación de energía

En los aceleradores lineales de electrones anteriores, las partículas aceleradas se utilizaban una sola vez y luego se introducían en un absorbedor (de haz) , donde su energía residual se convertía en calor. En un acelerador lineal de recuperación de energía (ERL), los electrones se realimentan a través del acelerador, desfasados ​​180 grados. De esta forma, pasan por los resonadores durante la fase de desaceleración y, por lo tanto, devuelven su energía restante al campo. El concepto es comparable al de la propulsión híbrida de los vehículos, donde la energía cinética liberada durante el frenado se aprovecha para la siguiente aceleración mediante la carga de una batería.

El Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Centro Helmholtz de Berlín, con el proyecto "bERLinPro", informaron sobre el trabajo de desarrollo correspondiente. El acelerador experimental de Berlín utiliza resonadores de cavidad de niobio superconductores. En 2014, tres láseres de electrones libres basados ​​en ERL estaban en funcionamiento en todo el mundo: en el Laboratorio Jefferson (EE. UU.), en el Instituto Budker de Física Nuclear (Rusia) y en JAEA (Japón). [ 25 ] En la Universidad de Maguncia , se espera que un ERL llamado MESA comience a funcionar en 2024. [ 26 ]

Colisionador lineal compacto

El concepto del Colisionador Lineal Compacto (CLIC) (nombre original Colisionador Lineal del CERN, con la misma abreviatura [ 27 ] ) para electrones y positrones proporciona un acelerador de onda viajera para energías del orden de 1 teraelectronvoltio (TeV). [ 28 ] En lugar de los numerosos amplificadores klistrón necesarios para generar la potencia de aceleración, se utilizará un segundo acelerador lineal de electrones paralelo de menor energía, que funciona con cavidades superconductoras en las que se forman ondas estacionarias. De este se extrae potencia de alta frecuencia a intervalos regulares y se transmite al acelerador principal. De esta forma, se debería alcanzar una intensidad de campo de aceleración muy alta de 80 MV/m.

Acelerador de Kielfeld (acelerador de plasma)

En los resonadores de cavidad, la rigidez dieléctrica limita la aceleración máxima que se puede lograr dentro de una distancia determinada. Este límite se puede sortear utilizando ondas aceleradas en plasma para generar el campo acelerador en los aceleradores de Kielfeld : un láser o un haz de partículas excita una oscilación en el plasma , que se asocia con campos eléctricos muy intensos. Esto significa que es posible construir aceleradores lineales significativamente más compactos (entre cientos y miles de veces). Los experimentos con láseres de alta potencia en plasmas de vapor metálico sugieren que es bastante posible reducir la longitud del haz de decenas de metros a unos pocos centímetros.

Conceptos modernos

Cuanto mayor sea la frecuencia del voltaje de aceleración seleccionado, mayor será el número de impulsos de aceleración individuales por longitud de trayectoria que experimenta una partícula de una velocidad determinada, y, por lo tanto, menor podrá ser el acelerador en general. Por ello, la tecnología de aceleradores se ha desarrollado en busca de energías de partículas más elevadas, especialmente hacia frecuencias más altas.

Los conceptos de acelerador lineal (a menudo denominados estructuras aceleradoras en términos técnicos) que se utilizan desde alrededor de 1950 funcionan con frecuencias en el rango de aproximadamente 100 MHz a unos pocos gigahercios (GHz) y utilizan el componente de campo eléctrico de las ondas electromagnéticas.

ondas estacionarias y ondas viajeras

Cuando se trata de energías superiores a unos pocos MeV, los aceleradores de iones difieren de los de electrones. Esto se debe a la gran diferencia de masa entre las partículas. Los electrones ya se aproximan a la velocidad de la luz , el límite absoluto de velocidad, a unos pocos MeV; con una mayor aceleración, como describe la mecánica relativista , prácticamente solo aumentan su energía y su momento . Por otro lado, con iones de este rango de energía, la velocidad también aumenta significativamente debido a la aceleración adicional.

Los conceptos de aceleración de iones que se utilizan actualmente se basan en ondas estacionarias electromagnéticas que se forman en resonadores adecuados . Según el tipo de partícula, el rango de energía y otros parámetros, se emplean resonadores muy diferentes; las siguientes secciones solo describen algunos de ellos. Los electrones también pueden acelerarse con ondas estacionarias de energías superiores a unos pocos MeV. Sin embargo, una alternativa ventajosa en este caso es la 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 se encuentran cerca de la velocidad de la luz, de modo que su velocidad aumenta muy poco.

El desarrollo de osciladores de alta frecuencia y amplificadores de potencia a partir de la década de 1940, especialmente el klistrón, fue esencial para estas dos técnicas de aceleración. El primer acelerador lineal de gran tamaño 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 fue desarrollado poco después en la Universidad de Stanford por W. W. Hansen y sus colegas. [ 29 ]

En ambos diagramas, la curva y las flechas indican la fuerza que actúa sobre las partículas. Solo en los puntos con la dirección correcta del vector del campo eléctrico, es decir, con la dirección correcta de la fuerza, las partículas pueden absorber energía de la onda. (El aumento de velocidad no se aprecia en la escala de estas imágenes).

Ventajas

El acelerador lineal superconductor de la Universidad de Stanford , ubicado en el campus debajo de los Laboratorios Hansen hasta 2007. Esta instalación es independiente de SLAC.
Fundición de acero sometida a rayos X mediante acelerador lineal en Goodwin Steel Castings Ltd.

El acelerador lineal podía producir energías de partículas superiores a las de los aceleradores electrostáticos anteriores (el acelerador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff ) que se utilizaban cuando se inventó. En estas máquinas, las partículas se aceleraban solo una vez mediante la tensión aplicada, por lo que la energía de las partículas, expresada en electronvoltios , era igual a la tensión de aceleración de la máquina, la cual estaba limitada a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aislamiento. En el acelerador lineal, las partículas se aceleran varias veces mediante la tensión aplicada, por lo que la energía de las partículas no está limitada por dicha tensión.

También se están desarrollando aceleradores lineales de alta potencia para la producción de electrones a velocidades relativistas, necesarias ya que los electrones rápidos que viajan en un arco pierden energía por radiación sincrotrón ; esto limita la potencia máxima que se puede impartir a los electrones en un sincrotrón de un tamaño determinado. Los aceleradores lineales también son capaces de una producción prodigiosa, generando un flujo casi continuo de partículas, mientras que un sincrotrón solo eleva periódicamente las partículas a la energía suficiente para justificar un "disparo" al objetivo. (El pulso se puede mantener o almacenar en el anillo con la energía necesaria para que la electrónica experimental tenga tiempo de funcionar, pero la corriente de salida promedio sigue siendo limitada). La alta densidad de la salida hace que el acelerador lineal sea particularmente atractivo para su uso en la carga de instalaciones de almacenamiento de partículas en anillos, en preparación para colisiones partícula-partícula. La alta masa de salida también hace que el dispositivo sea práctico para la producción de partículas de antimateria , que generalmente son difíciles de obtener, ya que constituyen solo una pequeña fracción de los productos de colisión de un objetivo. Estas pueden almacenarse y utilizarse posteriormente para estudiar la aniquilación materia-antimateria.

aceleradores lineales médicos

Imagen histórica que muestra a Gordon Isaacs, el primer paciente tratado de retinoblastoma con radioterapia mediante acelerador lineal (en este caso, un haz de electrones), en 1957, en Estados Unidos. Otros pacientes habían sido tratados con acelerador lineal por otras enfermedades desde 1953 en el Reino Unido. El ojo derecho de Gordon fue extirpado el 11 de enero de 1957 debido a que el cáncer se había extendido a ese ojo. Sin embargo, su ojo izquierdo solo presentaba un tumor localizado, lo que llevó a Henry Kaplan a tratarlo con el haz de electrones.

La radioterapia basada en aceleradores lineales 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 acelerador lineal médico dedicado. [ 30 ] Poco tiempo después, en 1954,  se instaló un acelerador lineal de 6 MV en Stanford, EE. UU., que comenzó los tratamientos en 1956.

Los aceleradores lineales médicos aceleran electrones mediante una guía de ondas de cavidad sintonizada, en la que la potencia de radiofrecuencia crea una onda estacionaria . Algunos aceleradores lineales tienen guías de ondas cortas montadas verticalmente, mientras que las máquinas de mayor energía suelen tener una guía de ondas horizontal más larga y un imán deflector para dirigir el haz verticalmente hacia el paciente. Los aceleradores lineales médicos utilizan haces de electrones monoenergéticos de entre 4 y 25  MeV, lo que produce rayos X con un espectro de energías que incluye la energía del electrón cuando este se dirige a un blanco de alta densidad (como el tungsteno ). Los electrones o rayos X pueden utilizarse para tratar enfermedades benignas y malignas. El acelerador lineal produce un haz de radiación fiable, flexible y preciso. La versatilidad del acelerador lineal representa una ventaja potencial sobre la terapia con cobalto como herramienta de tratamiento. Además, el dispositivo puede apagarse fácilmente cuando no se utiliza; no hay ninguna fuente que requiera un blindaje pesado, aunque la sala de tratamiento en sí requiere un blindaje considerable de las paredes, puertas, techo, etc., para evitar la fuga de radiación dispersa. El uso prolongado de máquinas de alta potencia (>18  MeV) puede inducir una cantidad significativa de radiación en las partes metálicas del cabezal de la máquina después de que se haya cortado la alimentación eléctrica (es decir, se convierten en una fuente activa y deben observarse las precauciones necesarias).

Vista aérea del modelo Little LINAC.

En 2019 se desarrolló un kit de modelado del Little Linac, que contiene 82 bloques de construcción, para niños que reciben radioterapia contra el cáncer. Se espera que la construcción del modelo alivie parte del estrés que experimenta el niño antes del tratamiento, ayudándole a comprender en qué consiste. El kit fue desarrollado por el profesor David Brettle, del Instituto de Física e Ingeniería en Medicina (IPEM), en colaboración con el fabricante Best-Lock Ltd. El modelo se puede ver en el Museo de la Ciencia de Londres .

Un MR-LINAC es un acelerador lineal médico integrado con un escáner de imágenes por resonancia magnética , que permite la obtención de imágenes en tiempo real durante el tratamiento, así como el control del movimiento del paciente y la planificación adaptativa en la mesa de tratamiento. [ 31 ]

Aplicación para el desarrollo de isótopos médicos

La escasez prevista de Mo-99 y del isótopo médico tecnecio-99m obtenido a partir de él también ha puesto de relieve 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 isótopos médicos fabricar este isótopo crucial mediante un proceso subcrítico. Las instalaciones obsoletas, como los Laboratorios Chalk River en Ontario, Canadá, que aún producen la mayor parte del Mo-99 a partir de uranio altamente enriquecido, podrían sustituirse por este nuevo proceso. De este modo, se lograría la carga subcrítica de sales de uranio solubles en agua pesada , seguida de un bombardeo fotoneutrónico y la extracción del producto deseado, el Mo-99. [ 32 ]

Desventajas

  • La longitud del dispositivo limita los lugares donde se puede colocar. [ 33 ]
  • Se requiere una gran cantidad de dispositivos de control y sus fuentes de alimentación asociadas, lo que aumenta el costo de construcción y mantenimiento de esta parte. [ 33 ]
  • Si las paredes de las cavidades aceleradoras están hechas de material normalmente conductor y los campos aceleradores son grandes, la resistividad de la pared convierte rápidamente la energía eléctrica en calor.
  • Los superconductores necesitan refrigeración constante para mantenerse por debajo de su temperatura crítica, y sus campos aceleradores están limitados por las transiciones bruscas .
  • Debido a estas limitaciones, los aceleradores de alta energía como SLAC , que sigue siendo el más largo del mundo (en sus distintas generaciones), funcionan con pulsos cortos, lo que limita la corriente de salida promedio y obliga a los detectores experimentales a procesar datos que llegan en ráfagas cortas.

Véase también

Referencias

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  3. ↑ Bryant, PJ (1994). Breve historia y revisión de los aceleradores . 5.º Curso General de Física de Aceleradores. Escuela de Aceleradores del CERN. doi : 10.5170/CERN-1994-001.1 .
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  • Animación del acelerador lineal de partículas (LINAC) por Ionactive
  • Acelerador lineal de partículas Tandetron de 2MV en Ljubljana, Eslovenia
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