Un acelerador de gradiente alterno de campo fijo ( FFA ; también abreviado FFAG ) es un concepto de acelerador de partículas circular que se puede caracterizar por sus campos magnéticos independientes del tiempo ( campo fijo , como en un ciclotrón ) y el uso de un enfoque fuerte de gradiente alterno (como en un sincrotrón ). [1] [2]
En todos los aceleradores circulares se utilizan campos magnéticos para doblar el haz de partículas. Dado que la fuerza magnética necesaria para doblar el haz aumenta con la energía de las partículas, a medida que estas se aceleran, sus trayectorias aumentarán de tamaño o el campo magnético debe aumentarse con el tiempo para mantener las partículas en una órbita de tamaño constante. Las máquinas de campo fijo, como los ciclotrones y los aceleradores de partículas, utilizan el primer enfoque y permiten que la trayectoria de las partículas cambie con la aceleración.
Para mantener las partículas confinadas en un haz, se requiere algún tipo de enfoque. Las pequeñas variaciones en la forma del campo magnético, manteniendo la misma dirección general del campo, se conocen como enfoque débil. El enfoque fuerte, o de gradiente alterno, implica campos magnéticos que apuntan alternativamente en direcciones opuestas. El uso del enfoque de gradiente alterno permite haces más enfocados y cavidades de acelerador más pequeñas.
Los campos magnéticos fijos utilizan campos magnéticos fijos que incluyen cambios en la dirección del campo alrededor de la circunferencia del anillo. Esto significa que el haz cambiará de radio a lo largo de la aceleración, como en un ciclotrón, pero permanecerá más enfocado, como en un sincrotrón. Por lo tanto, los campos magnéticos fijos combinan imanes fijos relativamente menos costosos con un mayor enfoque del haz de máquinas de enfoque potente. [3]
El concepto inicial del FFA se desarrolló en la década de 1950, pero no se exploró activamente más allá de unas pocas máquinas de prueba hasta mediados de la década de 1980, para su uso en fuentes de espalación de neutrones , como impulsor de colisionadores de muones [1] y para acelerar muones en una fábrica de neutrinos desde mediados de la década de 1990.
El resurgimiento de la investigación sobre FFA ha sido particularmente fuerte en Japón, con la construcción de varios anillos. Este resurgimiento ha sido impulsado en parte por los avances en cavidades de RF y en el diseño de imanes. [4]
La idea de los sincrotrones de gradiente alterno de campo fijo fue desarrollada independientemente en Japón por Tihiro Ohkawa , en los Estados Unidos por Keith Symon y en Rusia por Andrei Kolomensky. El primer prototipo, construido por Lawrence W. Jones y Kent M. Terwilliger en la Universidad de Michigan, utilizó aceleración de betatrones y estuvo operativo a principios de 1956. [5] Ese otoño, el prototipo fue trasladado al laboratorio de la Asociación de Investigación de Universidades del Medio Oeste (MURA) en la Universidad de Wisconsin , donde se convirtió en un sincrotrón de electrones de 500 keV . [6] La patente de Symon, presentada a principios de 1956, utiliza los términos "acelerador FFAG" y "sincrotrón FFAG". [7] Ohkawa trabajó con Symon y el equipo MURA durante varios años a partir de 1955. [8]
Donald Kerst , trabajando con Symon, presentó una patente para el acelerador FFA de sector espiral aproximadamente al mismo tiempo que la patente de Sector Radial de Symon. [9] Una máquina de sector espiral muy pequeña fue construida en 1957, y una máquina de sector radial de 50 MeV fue operada en 1961. Esta última máquina estaba basada en la patente de Ohkawa, presentada en 1957, para una máquina simétrica capaz de acelerar simultáneamente partículas idénticas en haces tanto en sentido horario como antihorario. [10] Este fue uno de los primeros aceleradores de haces en colisión , aunque esta característica no se utilizó cuando se puso en uso práctico como inyector para el anillo de almacenamiento de Tantalus en lo que se convertiría en el Centro de Radiación de Sincrotrón . [11] La máquina de 50 MeV fue finalmente retirada a principios de la década de 1970. [12]
MURA diseñó FFA de protones de 10 GeV y 12,5 GeV que no fueron financiados. [13] Se publicaron dos diseños reducidos, uno para 720 MeV [14] y otro para un inyector de 500 MeV, [15] .
Con el cierre de MURA que comenzó en 1963 y terminó en 1967, [16] el concepto FFA no se utilizó en un diseño de acelerador existente y, por lo tanto, no se discutió activamente durante algún tiempo.
A principios de la década de 1980, Phil Meads sugirió que un FFA era adecuado y ventajoso como acelerador de protones para una fuente de neutrones de espalación intensa , [18] dando inicio a proyectos como el Acelerador Lineal Tándem Argonne en el Laboratorio Nacional de Argonne [19] y el Sincrotrón Cooler en el Centro de Investigación Jülich . [20]
En el Centro de Investigación Jülich se celebraron conferencias que exploraban esta posibilidad a partir de 1984. [21] También se han celebrado numerosos talleres anuales centrados en los aceleradores FFA [22] en el CERN , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilab y el Instituto de Investigación de Reactores de la Universidad de Kioto . [23] En 1992, la Conferencia Europea de Aceleradores de Partículas en el CERN se centró en los aceleradores FFA. [24] [25]
El primer FFA de protones se construyó con éxito en 2000, [26] iniciando un auge de actividades de FFA en física de alta energía y medicina .
En el caso de los imanes superconductores , la longitud requerida de los imanes FFA se escala aproximadamente como el cuadrado inverso del campo magnético. [27] En 1994, se derivó una forma de bobina que proporcionaba el campo requerido sin hierro. [28] Este diseño de imán fue continuado por S. Martin et al. de Jülich . [24] [29]
En 2010, después del taller sobre aceleradores FFA en Kioto , se completó la construcción de la Máquina de Electrones con Muchas Aplicaciones (EMMA) en el Laboratorio Daresbury , Reino Unido . Este fue el primer acelerador FFA sin escala. Los FFA sin escala suelen ser ventajosos para los FFA con escala porque se evitan los imanes grandes y pesados y el haz se controla mucho mejor. [30]
Los campos magnéticos necesarios para un FFA son bastante complejos. El cálculo de los imanes utilizados en el Michigan FFA Mark Ib, una máquina de sector radial de 500 keV de 1956, fue realizado por Frank Cole en la Universidad de Illinois con una calculadora mecánica construida por Friden . [6] Esto estaba en el límite de lo que se podía hacer razonablemente sin computadoras; las geometrías de imanes más complejas de los sectores espirales y los FFA sin escala requieren un modelado informático sofisticado.
Las máquinas MURA eran sincrotrones FFA de escalado, lo que significa que las órbitas de cualquier momento son ampliaciones fotográficas de las de cualquier otro momento. En dichas máquinas, las frecuencias de los betatrones son constantes, por lo que no se cruzan resonancias que podrían provocar la pérdida del haz [31] . Una máquina está en escala si el campo magnético del plano medio satisface
dónde
El imán de un FFA es mucho más pequeño que el de un ciclotrón de la misma energía. La desventaja es que estas máquinas son altamente no lineales. Estas y otras relaciones se desarrollan en el artículo de Frank Cole. [32]
La idea de construir un FFA sin escala se les ocurrió por primera vez a Kent Terwilliger y Lawrence W. Jones a fines de la década de 1950 mientras pensaban en cómo aumentar la luminosidad del haz en las regiones de colisión del FFA de haz de colisión bidireccional en el que estaban trabajando. Esta idea tuvo aplicaciones inmediatas en el diseño de mejores imanes de enfoque para aceleradores convencionales, [6] pero no se aplicó al diseño de FFA hasta varias décadas después.
Si la aceleración es lo suficientemente rápida, las partículas pueden atravesar las resonancias de betatrón antes de tener tiempo de acumularse hasta una amplitud perjudicial. En ese caso, el campo dipolar puede ser lineal con el radio, lo que hace que los imanes sean más pequeños y más sencillos de construir. En el Laboratorio Daresbury, Reino Unido, se ha puesto en funcionamiento con éxito una máquina de electrones con muchas aplicaciones , lineal y sin escalamiento , denominada EMMA (Electron Machine with Many Applications). [33] [34]
Los FFA de excursión de órbita vertical (VFFA) son un tipo especial de FFA dispuestos de manera que las órbitas de mayor energía se produzcan por encima (o por debajo) de las órbitas de menor energía, en lugar de hacerlo radialmente hacia afuera. Esto se logra con campos de enfoque sesgado que empujan las partículas con mayor rigidez del haz verticalmente hacia regiones con un campo dipolar más alto. [35]
La principal ventaja que ofrece un diseño VFFA sobre un diseño FFA es que la longitud del recorrido se mantiene constante entre partículas con diferentes energías y, por lo tanto, las partículas relativistas viajan de forma isócrona . La isocronicidad del período de revolución permite el funcionamiento continuo del haz, por lo que ofrece la misma ventaja en potencia que los ciclotrones isócronos tienen sobre los sincrociclotrones . Los aceleradores isócronos no tienen enfoque longitudinal del haz, pero esto no es una gran limitación en los aceleradores con tasas de rampa rápidas que se utilizan normalmente en los diseños FFA.
Las principales desventajas incluyen el hecho de que los VFFA requieren diseños de imanes inusuales y, actualmente, los diseños de VFFA solo han sido simulados en lugar de probados.
Los aceleradores de FFA tienen aplicaciones médicas potenciales en la terapia de protones para el cáncer, como fuentes de protones para la producción de neutrones de alta intensidad, para inspecciones de seguridad no invasivas de contenedores de carga cerrados, para la aceleración rápida de muones a altas energías antes de que tengan tiempo de desintegrarse y como "amplificadores de energía", para reactores subcríticos impulsados por aceleradores (ADSR) / reactores subcríticos en los que un haz de neutrones derivado de un FFA impulsa un reactor de fisión ligeramente subcrítico . Tales ADSR serían inherentemente seguros, sin peligro de descontrol exponencial accidental y con una producción relativamente pequeña de desechos transuránicos , con su larga vida útil y potencial para la proliferación de armas nucleares .
Debido a su haz casi continuo y los intervalos de aceleración mínimos resultantes para altas energías, los FFA también han ganado interés como posibles partes de futuras instalaciones de colisionadores de muones .
En la década de 1990, los investigadores del laboratorio de física de partículas KEK cerca de Tokio comenzaron a desarrollar el concepto FFA, que culminó en una máquina de 150 MeV en 2003. Se ha diseñado una máquina sin escala, denominada PAMELA, para acelerar tanto protones como núcleos de carbono para la terapia del cáncer. [36] Mientras tanto, un ADSR que opera a 100 MeV se demostró en Japón en marzo de 2009 en el Ensamblaje Crítico de la Universidad de Kioto (KUCA), logrando "reacciones nucleares sostenibles" con las barras de control del ensamblaje crítico insertadas en el núcleo del reactor para amortiguarlo por debajo de la criticidad.
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