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Sincrotrón

El sincrotrón ye un tipu d'acelerador de partícules. Estremar d'otros aceleradores en que les partícules caltener nuna órbita zarrada. Los primeros sincrotrones derivar del ciclotrón, qu'usa un campu magnéticu constante pa curvar la trayeutoria de les partícules, aceleraes por aciu un campu llétricu tamién constante, ente que nel sincrotrón ambos campos varien. La velocidá máxima a la que les partícules pueden acelerase ta dada pol puntu en que la radiación sincrotrón emitida poles partícules al xirar ye igual a la enerxía suministrada. Los sincrotrones tamién s'utilicen pa caltener les partícules circulando a una enerxía fixa; nesti casu reciben el nome de «aniellos d'almacenamientu».

Esquema d'un sincrotrón

Los sincrotrones pueden usase como colisionadores de partícules. Nesti tipu de sincrotrones, dos faes de partícules distintes acelerar en direiciones opuestes pa estudiar los productos del so choque. N'otros sincrotrones caltién un fexe de partícules d'un solu tipu circulando indefinidamente a una enerxía fixa, usándose como fontes de lluz sincrotrón pa estudiar materiales a resolución del orde del radiu atómicu, en medicina y en procesos de manufactura y carauterización de materiales. Un tercer usu de los sincrotrones ye como pre-acelerador de les partícules antes de la so inyeición nun aniellu d'almacenamientu. Estos sincrotrones conócense como boosters («aceleradores»).

Desenvolvimientu

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Esquema de funcionamientu d'un ciclotrón, el precursor del sincrotrón. El campu magnéticu ye uniforme y aplícase na direición perpendicular a la órbita de les partícules. Les partícules acelerar dende cero cada vez que traviesen el campu magnéticu y describen una espiral que'l so radiu aumenta hasta que remanecen del acelerador.

El ciclotrón, concebíu pol físicu austrohúngaru Leó Szilárd en 1929, puede considerase el precursor del sincrotrón. El ciclotrón usa un campu magnéticu estáticu pa curvar la trayeutoria de les partícules y un campu llétricu trémbole de frecuencia fixa p'acelerales nun puntu de la so trayeutoria. A midida de que les partícules aumenten la so velocidá, el radiu de la so órbita aumenta, polo cual describen una espiral.[1] Ernest Lawrence diseñó y construyó'l primer ciclotrón,[2] puestu en marcha per vegada primer a finales de 1931. Esta máquina nun yera afecha pa l'aceleración de partícules relativistes, que la so masa aumenta al averase la so velocidá a la de la lluz, lo que causa un desfasaje con al respective de la oscilación del voltaxe acelerador.[3]

En 1934, Szilárd describió'l principiu d'estabilidá de fase,[1] fundamental nel diseñu del sincrotrón. En 1945, l'estauxunidense Edwin McMillan y el soviéticu Vladimir Veksler propunxeron, independientemente, un acelerador basáu nesti principiu, variando la frecuencia del campu llétricu a midida que la partícula amonta la so enerxía.[4] D'esta miente, les partícules reciben una cantidá d'enerxía inversamente proporcional a la so velocidá, lo que resulta nun fexe estable onde les partícules viaxen, en permediu, a la velocidá apropiada.[5] Usando esti principiu, Lawrence, McMillan y otros miembros del so grupu tresformaron el cyclotrón de Berkeley nun sincrociclotrón en 1946. Esti aparatu llegó a a acelerar protones hasta 740 MeV ya iones d'Heliu a 920 MeV.[6] El Phasotron, un sincrociclotrón pa electrones construyíu por Veksler en Dubná algamó los 10 GeV.

 
Ilustración del principiu d'estabilidá de fase nel sincrotrón: la función periódica O(t) representa'l campu llétricu oscilatoriu. Los trés puntos sobre la gráfica representen tres partícules viaxando a velocidaes llixeramente distintes. La partícula del centru algama'l campu cola fase «óptima» W0, ente 90 y 180°. La partícula que llega llixeramente per delantre recibe menos enerxía del campu, y la que llega por detrás, más, de cuenta que les fases permanecen concentraes alredor de W0.

La máxima enerxía de los sincrociclotrones ta dictada pel radiu máximu de la órbita de les partícules, que nun podíen acelerase más una vegada algamáu esti puntu. En 1949, MacMillan construyó'l primer sincrotrón d'electrones, amontando la magnitú del campu magnéticu en sincronía cola velocidá de los electrones y consiguiendo asina caltener a estos nuna órbita fixa zarrada y aceleralos hasta una enerxía de 300 MeV.[4] El primer sincrotón de protones foi'l Cosmotrón, diseñáu en 1948 y construyíu nel Llaboratoriu Nacional de Brookhaven. El Cosmotrón empezó a funcionar a la enerxía de 3.3 GeV a principios de 1953.[7] En 1952, dellos de los collaboradores nel diseñu y construcción del Cosmotrón publicaron una idea p'aumentar la eficiencia de los sincrotrones alternando lentes magnétiques converxentes y diverxentes —campu magnéticu de gradiente alternáu— pa focalizar el fexe de partícules a lo llargo de tola so trayeutoria,[8][9] idea patentada yá en 1950 por Nicholas Christofilos.[10] Esta idea foi darréu incorporada al diseñu del sincrotrón de protones del CERN, onde hasta entós s'entamaba algamar una enerxía de 10 GeV.[4] Gracies al usu de gradiente alternáu entró en funcionamientu en 1959 a 30 GeV.[11] En 1960, entró en funcionamientu'l AGS («Alternating Gradient Synchrotron» de 33 GeV en Brookhaven.[12]

Bob Wilson, un antiguu collaborador de Lawrence, propunxo dixebrar los imanes focalizadores del fexe de los imanes usaos pa curvar la trayeutoria del fexe de partícules nel sincrotrón de Fermilab, rematáu en 1972, onde s'algamar 400 GeV.[4] Nes décades siguientes siguieron construyéndose sincrotrones de mayor tamañu y enerxía, como'l Tevatron en Fermilab o'l LHC en CERN, dedicaos al estudiu de partícules subatómiques.

Anque la radiación sincrotrón emitida poles partícules aceleraes constitúi una llimitación a la máxima enerxía algamable nun sincrotrón, los científicos llueu se decataron de les posibilidaes qu'ufiertaben los fexes intensos de radiación ultravioleta y rayos X xeneraos nos sincrotrones d'altes enerxíes,y nos 80, apaecieron los primeros aniellos d'almacenamientu diseñaos puramente como fontes de radiación sincrotrón.[5] Dellos colisionadores de partícules obsoletos, como'l sincrotrón de Stanford nos Estaos Xuníos, o DORIS y PETRA nel llaboratoriu Deutsches Elektronen-Synchrotron, Alemaña, fueron reconfigurados pa esti propósitu,[13][14][15] ente que unos pocos, como CHESS, na Universidá de Cornell, utilícense al empar pa estudios de física de partícules y como fontes de lluz sincrotrón.[16]

Componentes

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Booster de 900 MeV del colisionador de partícules VEPP 2000, en Novosibirsk

Fonte de partícules

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Pa la producción d'electrones suélense utilizar cátodos termoiónicos o cátodos fríos o fotocátodos.[17][18][19] Los positrones prodúcense faciendo incidir un fexe d'electrones aceleraos sobre un material metálico.[19] Les fontes de protones son bien diverses; suélense estrayer d'un plasma, xeneráu, por casu, a partir d'una descarga o radiación de microondes aplicaos a un gas.[20][21] Los antiprotones producir de manera asemeyada a los positrones, faciendo topetar un fexe de protones con un metal pesao.[19]

Aceleradores auxiliares: LINACS y boosters

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Al contrariu que los ciclotrones, los sincrotrones nun son capaces d'acelerar les partícules a partir de baxa enerxía, polo cual l'aceleración realizar per etapes. El fexe de partícules acelérase primeramente usando una fonte d'altu voltaxe bazcuyando a radio frecuencias. Les partícules inyectar nun acelerador liniar o LINAC, y de ende pasen a un sincrotrón llamáu preacelerador o booster onde adquieren la so enerxía final; les partícules asina aceleraes inyectar al sincrotrón principal o aniellu d'almacenamientu, onde circulen a una enerxía fixa. Nun sincrotrón típicu, el LINAC imparte a los electrones una enerxía ente 0.1 y 1 GeV, y el booster acelerar hasta la enerxía final d'unos pocos GeV.[22][23][24] El Gran Colisionador de Hadrones, qu'opera con protones de 7 TeV, rique tres sincrotrones auxiliares.[25]

Cuévanos de radiofrecuencia

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Ver tamién: Resonador

Los cuévanos de radiofrecuencia o RF son una serie d'estructures bueques onde s'aplica'l voltaxe trémbole llonxitudinal, suministráu por klistrones, qu'acelera les partícules. Nun acelerador puramente dichu, como'l booster, la enerxía de les partícules aumenta cada vez que traviesen el cuévanu. Nos aniellos d'almacenamientu, pela contra, solo suminístrase la enerxía necesaria pa compensar les perdes por radiación sincrotrón.[26][27] Los cuévanos RF tamién caltienen a les partícules arrexuntaes en paquetes que circulen a aproximao la mesma velocidá, calteniendo la sincronía ente la fase del voltaxe acelerador y la frecuencia de circulación del fexe.[26]

Elementos magnéticos

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Imanes del aniellu d'almacenamientu del Sincrotrón Australianu. En primer planu, un sextupolo (en verde), siguíu por un dipolo (en mariellu) y, parcialmente despinto detrás d'este, un cuadrupolo (en colloráu).

Los sincrotrones modernos utilicen dipolos, llamaos imanes curvadores —bending magnets— pa curvar la trayeutoria del fexe de partícules y cuadrupolos y sextupolos pa caltener el fexe enfocáu. La separación de les funciones de deflección y focalización dexa algamar una enerxía mayor y optimizar les propiedaes óptiques del sincrotrón.[28] Los imanes tienen los polos empobinaos perpendicularmente a la órbita. Los cuadrupolos pueden empobinase de tal manera que les componentes verticales y horizontales de les fuercies magnétiques qu'exercen sobre les partícules son independientes y suelse alternar la so polaridá a lo llargo del cuévanu del sincrotrón, esto ye, se have converxer y divergir el fexe socesivamente. Esta disposición, conocida como «celda FODO»[n. 1] caltién el fexe colimado, importante tantu pa maximizar el númberu de choques de partícules, como pa producir lluz sincrotrón coherente y concentrada. Los imanes sextupolos utilizar pa correxir les aberraciones de los cuadrupolos.[28]

Nos sincrotrones modernos utilizaos pa la producción de lluz sincrotrón, los imanes suélense disponer en diverses configuraciones, coles mires de llograr un fexe de radiación lo más brillosu posible. Una configuración bien utilizada ye la celda DBA» (Double Bend Achromatic) o «celda Chasman-Green», que na so versión más simple consiste nun par d'imanes curvadores con una lente cuadrupolar nel centru.[29] Esti tipu d'instalaciones cunta amás con dispositivos magnéticos compuestos d'una secuencia de dellos dipolos alternantes. Según la fuercia del campu magnéticu, estos aparatos estremar en wigglers o onduladores. Dambos faen siguir a los electrones una trayeutoria trémbole, con un radiu de combadura menor que nos dipolos principales. Esto dexa llograr radiación sincrotrón con propiedaes diverses y meyor afeches a distintos tipos d'esperimentos.[30]

Llinies de lluz sincrotrón

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Al travesar los imanes curvadores, wigglers y onduladores, les partícules emiten radiación nun ampliu rangu de llonxitúes d'onda. La radiación ultravioleta y de rayos X emitida polos sincrotrones puede ser utilizada pa dellos esperimentos. Les llinies de lluz consisten nun cuévanu en vacíu pa tresportar esta radiación hasta les muestres que pretende estudiase y dellos preseos pa modificar y afaer les propiedaes de la radiación, como espeyos, pa enfocar el fexe de radiación y monocromadores pa escoyer determinaos llonxitúes d'onda.[31]La configuración específica d'una llinia de lluz depende del tipu d'esperimentu al que tea destinada y a les carauterístiques del sincrotrón.

Aplicaciones

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Detector de partícules nel LHC

Estudiu de partícules subatómiques

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Mientres delles décades l'aplicación principal de los sincrotrones y otros aceleradores circulares foi l'estudiu de los constituyentes fundamentales de la materia. Nes primeres máquines d'esti tipu, faíense topetar les partícules aceleraes contra un blancu metálicu estacionariu, onde interactuaben colos nucleos atómicos, produciendo partícules y antipartícules. Sicasí, nos sincrotrones d'alta enerxía posteriores, como'l SPS, el LEP y el LHC, de la [[Organización Europea pa la Investigación Nuclear]] (CERN) y el Tevatron de Fermilab, fueron diseñaos pa producir choques ente dos faes d'antipartícules circulando a la mesma velocidá en direiciones opuestes. Nesti casu, el momentu total de los dos faes ye cero, polo cual la enerxía total del fexe puede ser consumida na producción de nueves partícules, al contrariu que nel casu d'un blancu estacionariu, onde la llei de caltenimientu del momentu implica que parte de la enerxía ye caltenida pol fexe.[32] El fexe nos colisionadores tien de contener un gran númberu de partícules concentraes nun volume bien amenorgáu pa maximizar el númberu de choques en cada ciclu, que ye bien pequeñu comparáu colos choques llograos con un blancu fixu.[33]

Los colisionadores pueden ser de dos tipos: de hadrones —davezu protones y antiprotones— o de leptones —por casu, electrones y positrones.— Los colisionadores de hadrones tienen la ventaya de llindar les perdes por radiación,[34] y son la ferramienta principal pal descubrimientu de nueves partícules. Los colisionadores de leptones, per otru llau, son útiles pa la carauterización precisa de les partícules yá descubiertes.[32]

Estudiu de materiales

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Llinia de lluz sincrotrón pal estudiu de molécules biolóxiques (proteínes y acedos nucleicos) pola téunica de difracción de cristales

La radiación sincrotrón emitida polos electrones al travesar los imanes curvadores, wigglers y onduladores ta compuesta por un espectru continuu de llonxitúes d'onda dende los rayos X d'alta enerxía hasta'l infrarroxu. Esta radiación ye bien intensa, concentrada y coherente espacialmente, propiedaes aparentes pa poder realizar una amplia gama d'esperimentos pa esplorar les propiedaes de too tipu de materiales orgánicos ya inorgánicos, utilizando téuniques como la espectroscopía, dispersión, difracción y microscopía.[35]

Los primeros esperimentos con lluz sincrotrón llevar a cabu de manera «parasitario» en colisionadores de partícules, pero la mayoría de los sincrotrones en funcionamientu anguaño utilícense solo pa esti propósitu. Los sincrotrones diseñaos pa la producción de radiación sincrotrón conócense como «sincrotrones de segunda xeneración» o «de tercer xeneración», dependiendo de la emitancia del fexe de partícules,[5] definida como'l productu del área tresversal del fexe y la so diverxencia angular: nes fontes de segunda xeneración la emitancia ye del orde de 100 nm-mrad y nes de tercer xeneración ye de 10 nm-mrad,[36] lo que resulta nun fexe de radiación más concentráu. La mayoría d'estos sincrotrones tienen un diámetru del orde de los 100 m y funcionen a enerxíes d'unos pocos GeV. El de mayor tamañu PETRA, un antiguu colisionador reconvertíu a fonte de lluz sincrotrón, cuenta con más de dos quilómetros de circunferencia.[37] Na primer década del S XXI llogróse construyir un sincrotrón compactu que quepe nuna habitación.[38] Estes fontes compactes utilicen lluz láser p'aguiyar la emisión de lluz sincrotrón polos electrones.

Ver tamién

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Notes

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  1. ↑ La 'F' representa'l cuadrupolo converxente —Focussing, n'inglés—, la 'D', el cuadrupolo diverxente —Defocussing— y l'O l'espaciu ente ellos.

Referencies

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Enllaces esternos

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