Sincrociclotrón

Un sincrociclotrón es un tipo especial de ciclotrón , patentado por Edwin McMillan en 1952, en el que la frecuencia del campo eléctrico de radiofrecuencia (RF) que lo impulsa varía para compensar los efectos relativistas a medida que la velocidad de las partículas se aproxima a la velocidad de la luz . Esto contrasta con el ciclotrón clásico, donde esta frecuencia es constante. ^{[ 1 ]}

Existen dos diferencias principales entre el sincrociclotrón y el ciclotrón clásico. En el sincrociclotrón, solo un electrodo en forma de D (electrodo de chapa metálica hueco) conserva su forma clásica, mientras que el otro polo está abierto (véase el esquema de la patente). Además, la frecuencia del campo eléctrico oscilante en un sincrociclotrón disminuye continuamente en lugar de mantenerse constante para preservar la resonancia ciclotrónica a velocidades relativistas. Un extremo del potencial eléctrico oscilante, que varía periódicamente, se aplica al electrodo en forma de D, y el otro extremo está conectado a tierra. Los protones o deuterones que se van a acelerar se mueven en círculos de radio creciente. La aceleración de las partículas se produce al entrar o salir del electrodo en forma de D. En el borde exterior, el haz de iones se puede eliminar con la ayuda de un deflector electrostático. El primer sincrociclotrón produjo  deuterones de 195 MeV y partículas alfa  de 390 MeV . ^{[ 2 ]}

En un ciclotrón clásico, la frecuencia angular del campo eléctrico viene dada por

${\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m}}}$,

Dónde${\displaystyle \omega }$es la frecuencia angular del campo eléctrico,${\displaystyle q}$es la carga de la partícula,${\displaystyle B}$es el campo magnético, y${\displaystyle m}$es la masa de la partícula. Esto supone que la partícula es clásica y no experimenta fenómenos relativistas como la contracción de la longitud. Estos efectos comienzan a ser significativos cuando${\displaystyle v}$, la velocidad de la partícula mayor que${\displaystyle \approx {\frac {c}{3}}}$Para corregir esto, se utiliza la masa relativista en lugar de la masa en reposo; por lo tanto, un factor de${\displaystyle \gamma }$multiplica la masa, de tal manera que

${\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m\gamma }}}$,

dónde

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$.

Esta es, pues, la frecuencia angular del campo aplicado a las partículas a medida que se aceleran alrededor del sincrociclotrón.

La principal ventaja del sincrociclotrón es que no es necesario limitar el número de revoluciones que realiza el ion antes de su salida. Por lo tanto, la diferencia de potencial entre los electrodos puede ser mucho menor.

La menor diferencia de potencial necesaria a través de la brecha tiene los siguientes usos:

1. No es necesario un espacio estrecho entre los electrodos en forma de D, como en el caso de un ciclotrón convencional, ya que no se requieren campos eléctricos intensos para producir una gran aceleración. Por lo tanto, basta con usar un solo electrodo en forma de D en lugar de dos, conectando el otro extremo de la fuente de voltaje oscilante a tierra.
2. Las piezas polares magnéticas se pueden acercar, lo que permite aumentar considerablemente la densidad del flujo magnético.
3. El oscilador de válvula de frecuencia es capaz de funcionar con mucha mayor eficiencia.

El principal inconveniente de este dispositivo es que, debido a la variación en la frecuencia de la fuente de voltaje oscilante, solo una pequeña fracción de los iones que salen de la fuente son capturados en órbitas de fase estable con radio y energía máximos. Esto resulta en una corriente de haz de salida con un ciclo de trabajo bajo, y la corriente promedio del haz es solo una pequeña fracción de la corriente instantánea. Por lo tanto, la máquina produce iones de alta energía, aunque con una intensidad relativamente baja.

El siguiente paso en el desarrollo del concepto de ciclotrón, el ciclotrón isócrono , mantiene una frecuencia de excitación de radiofrecuencia constante y compensa los efectos relativistas aumentando el campo magnético con el radio. Los ciclotrones isócronos son capaces de producir una corriente de haz mucho mayor que los sincrociclotrones. Como resultado, los ciclotrones isócronos se han vuelto más populares en el campo de la investigación.

En 1945, Robert Lyster Thornton, del Laboratorio de Radiación de Ernest Lawrence, dirigió la construcción del ciclotrón de 184 pulgadas (470 cm) y 730 MeV. En 1946, supervisó la conversión del ciclotrón al nuevo diseño de McMillan, que se convertiría en el primer sincrociclotrón capaz de producir deuterones de 195 MeV y partículas α de 390 MeV .   

Tras la puesta en marcha del primer sincrociclotrón, la Oficina de Investigación Naval (ONR) financió dos iniciativas de construcción de sincrociclotrones. La primera financiación se concedió en 1946 al Instituto Tecnológico Carnegie para construir un sincrociclotrón de 435 MeV, bajo la dirección de Edward Creutz , e iniciar su programa de investigación en física nuclear. La segunda iniciativa se concedió en 1947 a la Universidad de Chicago para construir un sincrociclotrón de 450 MeV, bajo la dirección de Enrico Fermi .

En 1948, la Universidad de Rochester finalizó la construcción de su sincrociclotrón de 240 MeV, seguida de la finalización de un sincrociclotrón de 380 MeV en la Universidad de Columbia en 1950.

En 1950, el sincrociclotrón de 435 MeV del Instituto Tecnológico Carnegie estaba operativo, seguido por el sincrociclotrón de 450 MeV de la Universidad de Chicago en 1951. ^{[ 2 ]}

La construcción del sincrociclotrón de 400 MeV en la Universidad de Liverpool se completó en 1952 y en abril de 1954 ya estaba operativo. El sincrociclotrón de Liverpool fue el primero en demostrar la extracción de un haz de partículas de una máquina de este tipo, eliminando la limitación de tener que adaptar los experimentos al interior del sincrociclotrón. ^{[ 3 ]}

En una reunión de la UNESCO celebrada en París en diciembre de 1951, se debatió la búsqueda de una solución para contar con un acelerador de energía media para la futura Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). El sincrociclotrón se propuso como solución para cubrir el vacío hasta la finalización del Sincrotrón de Protones de 28 GeV . En 1952, Cornelis Bakker lideró el grupo encargado del diseño y la construcción del sincrociclotrón, denominado Sincrociclotrón (SC), en el CERN. El diseño del Sincrociclotrón, con una circunferencia de 15,7 metros (52 pies), comenzó en 1953. La construcción se inició en 1954 y alcanzó una aceleración de protones de 600 MeV en agosto de 1957, con el programa experimental iniciado en abril de 1958. ^{[ 4 ]} 

Los sincrociclotrones resultan atractivos para su uso en la terapia de protones debido a la posibilidad de crear sistemas compactos mediante campos magnéticos intensos. Las empresas de física médica Ion Beam Applications y Mevion Medical Systems han desarrollado sincrociclotrones superconductores que se adaptan fácilmente a los hospitales. ^{[ 5 ] [ 6 ]}