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 una alta velocidad al someterlos a una serie de potenciales eléctricos oscilantes a lo largo de una línea de haz lineal . Los principios para tales 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 de Aquisgrán . [3] [4] Los linacs tienen muchas aplicaciones: generan rayos X y electrones de alta energía para fines medicinales en radioterapia , sirven como inyectores de partículas para aceleradores de mayor energía y se utilizan directamente para lograr la energía cinética más alta para partículas ligeras (electrones y positrones) para la física de partículas .
El diseño de un acelerador lineal depende del tipo de partícula que se esté acelerando: 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 de largo (2,0 millas) del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park, California .
En 1924, Gustav Ising publicó la primera descripción de un acelerador lineal de partículas que utilizaba una serie de huecos de aceleración. Las partículas descendían por una serie de tubos. A una frecuencia regular, se aplicaba un voltaje de aceleración en cada hueco. A medida que las partículas ganaban velocidad mientras la frecuencia permanecía constante, los huecos se espaciaban cada vez más, para garantizar que la partícula viera un voltaje aplicado al llegar a cada hueco. Ising nunca implementó 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 huecos. Mientras que Ising había propuesto un hueco 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 una sola 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 linac estaba limitado por las fuentes de voltaje que estaban disponibles en ese momento, y no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que Luis Alvarez pudo usar osciladores de alta frecuencia recientemente desarrollados para diseñar el primer linac de tubo de deriva de cavidad resonante. Un linac Alvarez se diferencia del tipo Wideroe en que la potencia de RF se aplica a toda la cámara resonante a través de la cual viaja la partícula, y los tubos centrales solo se usan para proteger las partículas durante la parte de desaceleración de la fase del oscilador. El uso de este enfoque para la aceleración significó que el primer linac de Alvarez pudo alcanzar energías de protones de 31,5 MeV en 1947, la más alta que se había alcanzado hasta ese momento. [7]
Los aceleradores lineales tipo Alvarez iniciales no tenían un mecanismo potente para mantener el haz enfocado y, como resultado, estaban limitados en longitud y energía. El desarrollo del principio de enfoque fuerte a principios de la década de 1950 condujo a la instalación de imanes cuadrupolos de enfoque dentro de los tubos de deriva, lo que permitió que los aceleradores lineales fueran más largos y, por lo tanto, más potentes. Dos de los primeros ejemplos de aceleradores lineales Alvarez con imanes de enfoque fuertes se construyeron en el CERN y el Laboratorio Nacional de Brookhaven . [8]
En 1947, casi al mismo tiempo que Álvarez estaba desarrollando su concepto de acelerador lineal para protones, William Hansen construyó el primer acelerador de electrones de ondas viajeras en la Universidad de Stanford. [9] Los electrones son lo suficientemente más ligeros que los protones como para alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz al principio del proceso de aceleración. Como resultado, los electrones "acelerados" aumentan su energía, pero pueden considerarse como si tuvieran una velocidad constante desde el punto de vista del diseño de un acelerador. Esto permitió a Hansen utilizar una estructura de aceleración 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 un tamaño de 2 millas (3,2 km) y una energía de salida de 50 GeV. [10]
A medida que se fueron desarrollando aceleradores lineales con corrientes de haz más altas, el uso de campos magnéticos para enfocar haces de protones e iones pesados presentó dificultades para las etapas iniciales del acelerador. Debido a 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 IM Kapchinsky y Vladimir Teplyakov propusieron el tipo de estructura de aceleración 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 inyectadas. [12]
A principios de los años 1960, los científicos de Stanford y otros lugares comenzaron a explorar el uso de cavidades superconductoras de radiofrecuencia 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 podría aplicarse al haz en lugar de perderse en calor. Algunos de los primeros aceleradores lineales superconductores incluyeron el Acelerador Lineal Superconductor (para electrones) en Stanford [14] y el Sistema Acelerador Lineal Tándem Argonne (para protones e iones pesados) en el Laboratorio Nacional Argonne . [15]
Cuando una partícula cargada se coloca en un campo electromagnético experimenta una fuerza dada por la ley de fuerza de Lorentz :
donde es la carga de la partícula, es el campo eléctrico, es la velocidad de la partícula y es el campo magnético. El producto vectorial del término de campo magnético significa que los campos magnéticos estáticos no se pueden utilizar para la aceleración de partículas, ya que la fuerza magnética actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento de la partícula. [16]
Como 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 de RF. En la aceleración de RF, la partícula atraviesa una serie de regiones de aceleración, impulsada por una fuente de voltaje de tal manera que la partícula ve un campo de aceleración a medida que cruza cada región. En este tipo de aceleración, las partículas deben viajar necesariamente en "grupos" correspondientes a la parte del ciclo del oscilador donde el campo eléctrico apunta en la dirección de aceleración deseada. [17]
Si se utiliza una única fuente de tensión oscilante para activar una serie de huecos, estos deben ir alejándose cada vez más a medida que aumenta la velocidad de la partícula. Esto es para garantizar que la partícula "vea" la misma fase del ciclo del oscilador cuando alcanza cada hueco. A medida que las partículas se aproximan asintóticamente a la velocidad de la luz, la separación de los huecos se vuelve constante: la fuerza adicional aplicada aumenta la energía de las partículas, pero no altera significativamente su velocidad. [16] : 9-12
Para garantizar que las partículas no escapen del acelerador, es necesario proporcionar alguna forma de enfoque para redirigir las partículas que se alejan de la trayectoria central hacia la ruta prevista. Con el descubrimiento del enfoque fuerte , se utilizan imanes cuadrupolares para redirigir activamente las partículas que se alejan de la ruta de referencia. Como 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]
El enfoque a lo largo de la dirección de viaje, también conocido como estabilidad de fase , es una propiedad inherente de la aceleración de RF. Si todas las partículas de un grupo alcanzan la región de aceleración durante la fase ascendente del campo oscilante, las partículas que llegan antes verán un voltaje ligeramente menor que la partícula de "referencia" en el centro del grupo. Por lo tanto, esas partículas recibirán un poco menos de aceleración y eventualmente se quedarán atrás de la partícula de referencia. En consecuencia, las partículas que llegan después de la partícula de referencia recibirán un poco más de aceleración y, como resultado, alcanzarán a la de referencia. Esta corrección automática ocurre en cada brecha de aceleración, por lo que el grupo se reenfoca a lo largo de la dirección de viaje cada vez que se acelera. [17] : 30–52
Un acelerador lineal de partículas consta de las siguientes partes:
Como se muestra en la animación, el voltaje oscilante aplicado a electrodos cilíndricos alternos tiene polaridad opuesta (180° fuera de fase ), 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 ellos, 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 en las partículas. Cada vez que el grupo de partículas pasa a través de un electrodo, el voltaje oscilante cambia de polaridad, por lo que cuando las partículas alcanzan el espacio entre electrodos, el campo eléctrico está en la dirección correcta para acelerarlas. Por lo tanto, las partículas 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 a medida que las partículas cruzan cada espacio. Si el voltaje pico aplicado entre los electrodos es de voltios y la carga de cada partícula es de cargas elementales , la partícula gana un incremento igual de energía de electronvoltios al pasar por cada espacio. Por lo tanto, la energía de salida de las partículas es
electronvoltios, donde es el número de electrodos aceleradores en la máquina.
A velocidades cercanas a la de la luz, el aumento de velocidad incremental será pequeño y la energía aparecerá como un aumento en la masa de las partículas. En las partes del acelerador donde esto ocurre, las longitudes de los electrodos tubulares serán casi constantes. Se pueden incluir elementos de lentes electrostáticos o magnéticos adicionales para garantizar 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 el uso de sistemas servo guiados por un haz láser.
A partir de 2021 se están desarrollando varios conceptos nuevos. El objetivo principal es hacer que los aceleradores lineales sean más económicos, con haces mejor enfocados, mayor energía o mayor corriente de haz.
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 colocados uno detrás del otro, que están magnetizados por 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]
En los aceleradores lineales de electrones anteriores, las partículas aceleradas se utilizaban una sola vez y luego se introducían en un absorbedor (beam dump) , en el que su energía residual se convertía en calor. En un acelerador lineal de recuperación de energía (ERL), las partículas aceleradas se introducían en resonadores y, por ejemplo, en onduladores . Los electrones utilizados se realimentaban a través del acelerador, desfasados 180 grados. Por tanto, pasan por los resonadores en la fase de desaceleración y devuelven así su energía restante al campo. El concepto es comparable al de la propulsión híbrida de los vehículos de motor, en el que la energía cinética liberada durante el frenado se pone a disposición para la siguiente aceleración mediante la carga de una batería.
El Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Helmholtz-Zentrum de Berlín, con el proyecto "bERLinPro", informaron sobre los trabajos de desarrollo correspondientes. El acelerador experimental de Berlín utiliza resonadores de cavidad de niobio superconductores. En 2014, se encontraban en funcionamiento en todo el mundo tres láseres de electrones libres basados en ERL: 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 en 2024 comience a funcionar un ERL llamado MESA. [26]
El concepto de Compact Linear Collider (CLIC) (nombre original CERN Linear Collider, con la misma abreviatura) para electrones y positrones proporciona un acelerador de ondas viajeras para energías del orden de 1 teraelectronvoltio (TeV). [27] En lugar de los numerosos amplificadores klistrones 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 él se extrae energía de alta frecuencia a intervalos regulares y se transmite al acelerador principal. De esta manera se debe lograr la intensidad de campo de aceleración muy alta de 80 MV / m.
En los resonadores de cavidad, la rigidez dieléctrica limita la aceleración máxima que se puede alcanzar dentro de una cierta distancia. Este límite se puede sortear utilizando ondas aceleradas en plasma para generar el campo de aceleración en los aceleradores de Kielfeld : un haz de láser o de partículas excita una oscilación en un plasma , que está asociada a intensidades de campo eléctrico muy fuertes. Esto significa que es posible construir aceleradores lineales significativamente más compactos (factores de 100 a 1000 s). Los experimentos que involucran láseres de alta potencia en plasmas de vapor de metal sugieren que es bastante posible una reducción de la longitud de la línea de haz de algunas decenas de metros a unos pocos centímetros.
El programa LIGHT (Linac for Image-Guided Hadron Therapy) espera crear un diseño capaz de acelerar protones a 200 MeV aproximadamente para uso médico en una distancia de unas pocas decenas de metros, mediante la optimización y anidación de técnicas de aceleradores existentes [28]. El diseño actual (2020) utiliza la frecuencia de haz práctica más alta (actualmente ~ 3 GHz) para una etapa de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) desde la inyección a 50 kVdC hasta haces de ~ 5 MeV, un Linac de tubo de deriva de acoplamiento lateral (SCDTL) para acelerar de 5 MeV a ~ 40 MeV y una etapa final de Linac de acoplamiento celular (CCL), que lleva la salida a 200-230 MeV. Cada etapa está optimizada para permitir un acoplamiento cercano y un funcionamiento sincrónico durante la acumulación de energía del haz. El objetivo del proyecto es hacer de la terapia de protones una medicina convencional más accesible como alternativa a la radioterapia existente.
Cuanto mayor sea la frecuencia de la tensión de aceleración seleccionada, más empujes de aceleración individuales por longitud de trayectoria experimentará una partícula de una velocidad dada y, por lo tanto, más corto puede ser el acelerador en general. Por eso, la tecnología de aceleradores se desarrolló en la búsqueda de energías de partículas más altas, especialmente hacia frecuencias más altas.
Los conceptos de aceleradores lineales (a menudo llamados estructuras de acelerador en términos técnicos) que se han utilizado desde aproximadamente 1950 funcionan con frecuencias en el rango de alrededor de 100 MHz a unos pocos gigahercios (GHz) y utilizan el componente de campo eléctrico de las ondas electromagnéticas.
En el caso de energías superiores a unos pocos MeV, los aceleradores de iones son diferentes a los de electrones. La razón de ello es la gran diferencia de masa entre las partículas. Los electrones ya están cerca de la velocidad de la luz , el límite absoluto de velocidad, a unos pocos MeV; con una mayor aceleración, como describe la mecánica relativista , casi solo aumentan su energía y su momento . Por otro lado, con iones de este rango de energía, la velocidad también aumenta significativamente debido a una mayor aceleración.
Los conceptos de aceleración que se emplean hoy en día para los iones se basan siempre en ondas estacionarias electromagnéticas que se forman en resonadores adecuados . Según el tipo de partícula, el rango de energía y otros parámetros, se utilizan tipos de resonadores muy diferentes; en los apartados siguientes sólo se tratan algunos de ellos. Los electrones también se pueden acelerar con ondas estacionarias por encima de unos pocos MeV. Sin embargo, una alternativa ventajosa en este caso es una onda progresiva, una onda viajera. La velocidad de fase de la onda viajera debe ser aproximadamente igual a la velocidad de la partícula. Por tanto, esta técnica sólo es adecuada cuando las partículas se encuentran casi a la velocidad de la luz, de modo que su velocidad sólo 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 mayor tamaño con ondas estacionarias -para protones- fue construido 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 un poco más tarde en la Universidad de Stanford por WW Hansen y colegas. [29]
En los dos diagramas, la curva y las flechas indican la fuerza que actúa sobre las partículas. Sólo en los puntos con la dirección correcta del vector de campo eléctrico, es decir, la dirección correcta de la fuerza, las partículas pueden absorber energía de la onda. (En la escala de estas imágenes no se puede apreciar un aumento de la velocidad).
El acelerador lineal podía producir energías de partículas más altas que los aceleradores de partículas electrostáticos anteriores (el acelerador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff ) que se utilizaban cuando se inventó. En estas máquinas, las partículas solo se aceleraban una vez mediante el voltaje aplicado, por lo que la energía de las partículas en electronvoltios era igual al voltaje de aceleración de la máquina, que estaba limitado a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aislamiento. En el acelerador lineal, las partículas se aceleran varias veces mediante el voltaje aplicado, por lo que la energía de las partículas no está limitada por el voltaje de aceleración.
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 perderán energía a través de la radiación de 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 producir una salida prodigiosa, produciendo un flujo casi continuo de partículas, mientras que un sincrotrón sólo aumentará periódicamente las partículas a la energía suficiente para merecer un "disparo" al objetivo. (La ráfaga se puede mantener o almacenar en el anillo a la energía para dar tiempo a la electrónica experimental para que funcione, pero la corriente de salida media sigue siendo limitada). La alta densidad de la salida hace que el acelerador lineal sea especialmente atractivo para su uso en la carga de instalaciones de anillos de almacenamiento con partículas en preparación para colisiones de partícula con partícula. La alta salida de masa también hace que el dispositivo sea práctico para la producción de partículas de antimateria , que generalmente son difíciles de obtener, ya que son sólo una pequeña fracción de los productos de colisión de un objetivo. Estas pueden almacenarse y utilizarse posteriormente para estudiar la aniquilación de materia-antimateria.
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 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 los electrones utilizando una guía de ondas de cavidad sintonizada, en la que la potencia de RF crea una onda estacionaria . Algunos aceleradores lineales tienen guías de ondas cortas montadas verticalmente, mientras que las máquinas de mayor energía tienden a tener una guía de ondas horizontal más larga y un imán de flexión para girar el haz verticalmente hacia el paciente. Los aceleradores lineales médicos utilizan haces de electrones monoenergéticos entre 4 y 25 MeV, lo que da una salida de rayos X con un espectro de energías hasta e incluyendo la energía de los electrones cuando los electrones se dirigen a un objetivo de alta densidad (como el tungsteno ). Los electrones o rayos X se pueden utilizar para tratar enfermedades tanto benignas como malignas. El acelerador lineal produce un haz de radiación confiable, flexible y preciso. La versatilidad del acelerador lineal es una ventaja potencial sobre la terapia con cobalto como herramienta de tratamiento. Además, el dispositivo se puede apagar simplemente cuando no está en uso; 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 el escape de radiación dispersa. El uso prolongado de máquinas de alta potencia (>18 MeV) puede inducir una cantidad significativa de radiación dentro de las partes metálicas del cabezal de la máquina después de que se haya quitado la energía a la máquina (es decir, se convierten en una fuente activa y se deben tomar las precauciones necesarias).
En 2019, se desarrolló un kit de modelo Little Linac, que contiene 82 bloques de construcción, para niños que se someten a un tratamiento de radioterapia para el cáncer. La esperanza es que la construcción del modelo alivie parte del estrés que experimenta el niño antes de someterse al tratamiento, ayudándolo a comprender lo que implica el tratamiento. El kit fue desarrollado por el profesor David Brettle, del Instituto de Física e Ingeniería en Medicina (IPEM), en colaboración con los fabricantes Best-Lock Ltd. El modelo se puede ver en el Museo de Ciencias de Londres .
La escasez prevista de Mo-99 y del isótopo médico tecnecio-99m obtenido a partir de él también ha arrojado luz sobre 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 antiguas, por ejemplo los Laboratorios Chalk River en Ontario, Canadá, que todavía producen la mayor parte de Mo-99 a partir de uranio altamente enriquecido , podrían ser reemplazadas por este nuevo proceso. De esta manera, se logrará la carga subcrítica de sales de uranio solubles en agua pesada con el posterior bombardeo de fotoneutrones y la extracción del producto objetivo, Mo-99. [31] [ se necesita una mejor fuente ]
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