Un acelerador de partículas lineal (a menudo abreviado como linac ) es un tipo de acelerador de partículas que acelera partículas o iones subatómicos cargados a alta velocidad sometiéndolos a una serie de potenciales eléctricos oscilantes a lo largo de una línea de luz lineal . Los principios para este tipo de 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 linacos tienen muchas aplicaciones: generan rayos X y electrones de alta energía con fines medicinales en radioterapia , sirven como inyectores de partículas para aceleradores de mayor energía y se utilizan directamente para lograr la mayor energía cinética de las partículas ligeras. (electrones y positrones) para la física de partículas .
El diseño de un linac depende del tipo de partícula que se está acelerando: electrones , protones o iones . Los linacs varían en tamaño desde un tubo de rayos catódicos (que es un tipo de linac) hasta el linac de 3,2 kilómetros de largo (2,0 millas) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park, California .
En 1924, Gustav Ising publicó la primera descripción de un acelerador lineal de partículas utilizando una serie de espacios de aceleración. Las partículas descenderían 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 mientras la frecuencia permanecía constante, los espacios se espaciaban cada vez más, para garantizar que la partícula viera un voltaje aplicado al llegar a cada espacio. 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 espacios. Mientras que Ising había propuesto una vía de chispas 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 mil electronvoltios (50 keV), el doble de la energía que habrían recibido si hubieran sido acelerados solo una vez por 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 . [6]
Este tipo de linac 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 recientemente desarrollados para diseñar el primer linac con 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 de aceleración significó que el primer linac de Álvarez fuera capaz de alcanzar energías de protones de 31,5 MeV en 1947, la más alta jamás alcanzada en ese momento. [7]
Los linacs iniciales tipo Álvarez no tenían un mecanismo fuerte 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 cuadrupolares de enfoque dentro de los tubos de deriva, permitiendo linacs más largos y, por lo tanto, más potentes. Dos de los primeros ejemplos de linacs Alvarez con potentes imanes de enfoque se construyeron en el CERN y en el Laboratorio Nacional Brookhaven . [8]
En 1947, aproximadamente al mismo tiempo que Álvarez estaba desarrollando su concepto linac para protones, William Hansen construyó el primer acelerador de electrones de onda viajera 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 del acelerador. Esto permitió a Hansen utilizar una estructura aceleradora que constaba de 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 los electrones en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC se extendería hasta un tamaño de 3,2 km (2 millas) y una energía de salida de 50 GeV. [10]
A medida que se desarrollaron 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 las partículas, 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 aceleradora de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) . Las 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, los 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 permitieron una aceleración mucho más eficiente, ya que se podía aplicar al haz una fracción sustancialmente mayor de la potencia de entrada, en lugar de perderla en calor. Algunos de los primeros linacs superconductores incluyeron el Acelerador lineal superconductor (para electrones) en Stanford [14] y el Sistema de acelerador lineal en 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 :
(en unidades SI) donde es la carga de la partícula, es el campo eléctrico, es la velocidad de la partícula y es el campo magnético. El producto cruzado en el término 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 las partículas. [dieciséis]
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 por radiofrecuencia (RF). En la aceleración por RF, la partícula atraviesa una serie de regiones aceleradas, impulsadas por una fuente de voltaje de tal manera que la partícula ve un campo acelerado a medida que cruza cada región. En este tipo de aceleración, las partículas deben viajar necesariamente en "racimos" correspondientes a la parte del ciclo del oscilador donde el campo eléctrico apunta en la dirección prevista de aceleración. [17]
Si se utiliza una única fuente de voltaje oscilante para generar una serie de espacios, esos espacios deben colocarse cada vez más separados a medida que aumenta la velocidad de la partícula. Esto es para asegurar que la partícula "ve" la misma fase del ciclo del oscilador cuando llega a cada espacio. A medida que las partículas se acercan asintóticamente a la velocidad de la luz, la separación se vuelve constante: la fuerza aplicada adicional 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 el camino previsto. Con el descubrimiento del enfoque fuerte , se utilizan imanes cuadrupolares para redirigir activamente partículas que se alejan de la trayectoria de referencia. Como los imanes cuadrupolares se enfocan en una dirección transversal y se desenfocan en la dirección perpendicular, es necesario utilizar grupos de imanes para proporcionar un efecto de enfoque general en ambas direcciones. [dieciséis]
Centrarse 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, entonces las partículas que lleguen temprano verán un voltaje ligeramente menor que la partícula de "referencia" en el centro del grupo. Por lo tanto, esas partículas recibirán una aceleración ligeramente menor y eventualmente quedarán detrás de la partícula de referencia. En consecuencia, las partículas que lleguen después de la partícula de referencia recibirán una aceleración ligeramente mayor y, como resultado, alcanzarán a la partícula de referencia. Esta corrección automática ocurre en cada espacio de aceleración, por lo que el grupo se reenfoca en 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° 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, impartiéndoles energía al acelerarlas. La fuente de partículas inyecta un grupo de partículas en el primer electrodo una vez en cada ciclo de voltaje, cuando la carga en el electrodo es opuesta a la carga de las partículas. Los electrodos tienen la longitud correcta para que las partículas aceleradas tarden exactamente medio ciclo en pasar a través de cada electrodo. 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 los electrodos, el campo eléctrico está en la dirección correcta para acelerarlas. Por tanto, las partículas se aceleran a mayor velocidad 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 el diferencial de voltaje oscilante entre los electrodos sea máximo a medida que las partículas cruzan cada espacio. Si el voltaje máximo aplicado entre los electrodos es voltios y la carga de cada partícula son cargas elementales , la partícula gana un incremento igual de energía de electronvoltios al pasar a través de cada espacio. Por 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 velocidad de la luz, el aumento incremental de velocidad 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 magnéticos o electrostáticos adicionales para garantizar que el haz permanezca en el centro de la tubería y sus electrodos. Los aceleradores muy largos pueden mantener una alineación precisa de sus componentes mediante el uso de servosistemas guiados por un rayo láser.
Se están desarrollando varios conceptos nuevos a partir de 2021. El objetivo principal es hacer que los aceleradores lineales sean más baratos, con haces mejor enfocados, mayor energía o mayor corriente de haz.
Los aceleradores lineales de inducción utilizan para la aceleración el campo eléctrico inducido por un campo magnético variable en el tiempo, como el betatrón . El haz de partículas pasa a través de una serie de núcleos de ferrita en forma de anillo , uno detrás de otro, que están magnetizados por impulsos de alta corriente y, a su vez, generan cada uno de ellos un impulso de intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje de dirección del haz. Los aceleradores lineales de inducción se utilizan para impulsos cortos y elevados de corriente procedentes de electrones, pero también de iones pesados. [22] El concepto se remonta a la obra de Nicholas Christofilos . [23] Su realización depende en gran medida del progreso en el desarrollo de materiales de ferrita más adecuados . Con los electrones se lograron corrientes de pulso de hasta 5 kiloamperios con 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 utilizan solo una vez y luego se introducen en un absorbente (descarga de haz) , en el que su energía residual se convierte en calor. En un Linac de recuperación de energía (ERL; literalmente: "acelerador lineal de recuperación de energía"), en cambio, la aceleración se realiza en resonadores y, por ejemplo, en onduladores . Los electrones utilizados son realimentados a través del acelerador, desfasados 180 grados. Por lo tanto, en la fase de desaceleración pasan a través de los resonadores y devuelven así la energía restante al campo. El concepto es comparable a la propulsión híbrida de los vehículos de motor, donde la energía cinética liberada durante el frenado se pone a disposición para la siguiente aceleración mediante la carga de una batería.
El Laboratorio Nacional Brookhaven y el Helmholtz-Zentrum Berlin con el proyecto "bERLinPro" informaron sobre los correspondientes trabajos de desarrollo. El acelerador experimental de Berlín utiliza resonadores de cavidad de niobio superconductores del tipo mencionado anteriormente. En 2014, tres láseres de electrones libres basados en Linacs de recuperación de energía estaban en funcionamiento en todo el mundo : en el Laboratorio Jefferson (EE.UU.), en el Instituto Budker de Física Nuclear (Rusia) y en la JAEA (Japón). [25] En la Universidad de Maguncia se está construyendo una ERL llamada MESA que debería (a partir de 2019) entrar en funcionamiento en 2022.
El concepto de Colisionador Lineal Compacto (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 teraelectrón voltio (TeV). [26] En lugar de los numerosos amplificadores de klistrón necesarios para generar la potencia de aceleración, se utilizará un segundo acelerador lineal de electrones paralelo de menor energía, que trabaja con cavidades superconductoras en las que se forman ondas estacionarias. De él se extrae potencia de alta frecuencia a intervalos regulares y se transmite al acelerador principal. De esta manera debería alcanzarse la intensidad del 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 determinada distancia. Este límite se puede eludir utilizando ondas aceleradas en el plasma para generar el campo de aceleración en los aceleradores de Kielfeld : un láser o un rayo de partículas excita una oscilación en el plasma , que está asociada a intensidades de campo eléctrico muy fuertes. Esto significa que es posible construir aceleradores lineales mucho más compactos (en factores de centenas a milésimas). Los experimentos con láseres de alta potencia en plasmas de vapor metálico sugieren que es muy posible reducir la longitud de la línea del haz de unas decenas de metros a unos pocos centímetros.
El programa LIGHT (Linac for Image-Guided Hadron Therapy) espera crear un diseño capaz de acelerar protones hasta aproximadamente 200 MeV para uso médico en una distancia de unas pocas decenas de metros, optimizando y anidando las técnicas de aceleración existentes [27] . El diseño (2020) utiliza la frecuencia de grupo 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 acoplado lateralmente (SCDTL) para acelerar de 5 Mev a ~ 40MeV y una etapa final de Cell Coupled Linac (CCL), llevando la salida a 200-230MeV. Cada etapa está optimizada para permitir un acoplamiento estrecho 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 impulsos de aceleración individuales por longitud de trayectoria experimenta una partícula con una determinada velocidad y, por lo tanto, más corto puede ser el acelerador en su conjunto. Es por eso que la tecnología de aceleradores se desarrolló en la búsqueda de energías de partículas más altas, especialmente hacia frecuencias más altas.
Los conceptos de acelerador lineal (a menudo denominados en términos técnicos estructuras de acelerador) que se utilizan desde aproximadamente 1950 funcionan con frecuencias en el rango de aproximadamente 100 MHz a unos pocos gigahercios (GHz) y utilizan el componente del campo eléctrico de las ondas electromagnéticas.
Cuando se trata de energías superiores a unos pocos MeV, los aceleradores de iones son diferentes de los de electrones. La razón de esto es la gran diferencia de masa entre las partículas. Los electrones ya se acercan a la velocidad de la luz , el límite absoluto de velocidad, a unos pocos MeV; con una mayor aceleración, como la describe la mecánica relativista , casi solo aumentan su energía y su impulso . 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 utilizan hoy en día para los iones se basan siempre en ondas estacionarias electromagnéticas que se forman en resonadores adecuados . Dependiendo del tipo de partícula, rango de energía y otros parámetros, se utilizan tipos muy diferentes de resonadores; las siguientes secciones sólo cubren algunos de ellos. Los electrones también pueden acelerarse 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 lo tanto, esta técnica sólo es adecuada cuando las partículas están 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 fundamental para estas dos técnicas de aceleración. El primer acelerador lineal de ondas estacionarias de mayor tamaño (para protones) se construyó en 1945/46 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley bajo la dirección de Luis W. Álvarez . La frecuencia utilizada fue 200 MHz . El primer acelerador de electrones con ondas viajeras de aproximadamente 2 GHz fue desarrollado un poco más tarde en la Universidad de Stanford por WW Hansen y sus colegas. [28]
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 del campo eléctrico, es decir, la dirección correcta de la fuerza, las partículas pueden absorber energía de la onda. (No se puede ver un aumento de velocidad en la escala de estas imágenes).
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 estaban en uso cuando se inventó. En estas máquinas, las partículas sólo eran aceleradas una vez por el voltaje aplicado, por lo que la energía de las partículas en electronvoltios era igual al voltaje de aceleración en la máquina, que estaba limitado a unos pocos millones de voltios por la rotura del aislamiento. En el linac, 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 linacs 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 sincrotrón ; esto limita la potencia máxima que se puede impartir a los electrones en un sincrotrón de un tamaño determinado. Los Linacs también son capaces de producir una producción prodigiosa, produciendo una corriente casi continua de partículas, mientras que un sincrotrón sólo elevará periódicamente las partículas a la energía suficiente para merecer un "disparo" al objetivo. (La ráfaga se puede mantener o almacenar en el anillo con energía para darle tiempo a la electrónica experimental para funcionar, pero la corriente de salida promedio aún es limitada). La alta densidad de la salida hace que el linac sea particularmente atractivo para su uso en instalaciones de anillos de almacenamiento de carga. con partículas en preparación para colisiones entre partículas. La alta producción de masa también hace que el dispositivo sea práctico para la producción de partículas de antimateria , que generalmente son difíciles de obtener, ya que representan sólo una pequeña fracción de los productos de colisión de un objetivo. Estos luego pueden almacenarse y usarse para estudiar la aniquilación de materia-antimateria.
La radioterapia basada en linac 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 linac médico dedicado. [29] Poco tiempo después, en 1954, se instaló un linac 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 linacs 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 curvado para girar el haz verticalmente hacia el paciente. Los linacs médicos utilizan haces de electrones monoenergéticos de entre 4 y 25 MeV, lo que proporciona una salida de rayos X con un espectro de energías que incluye la energía del electrón cuando los electrones se dirigen a un objetivo de alta densidad (como el tungsteno ). Los electrones o los rayos X se pueden utilizar para tratar enfermedades tanto benignas como malignas. El LINAC produce un haz de radiación confiable, flexible y preciso. La versatilidad de LINAC es una ventaja potencial sobre la terapia con cobalto como herramienta de tratamiento. Además, el dispositivo puede simplemente apagarse cuando no esté en uso; no hay ninguna fuente que requiera un blindaje pesado, aunque la propia sala de tratamiento 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 una vez que se ha desconectado la alimentación de la máquina (es decir, se convierten en una fuente activa y se deben observar las precauciones necesarias). ).
En 2019, se desarrolló un kit modelo Little Linac, que contiene 82 bloques de construcción, para niños sometidos a tratamiento de radioterapia contra el cáncer. La esperanza es que la construcción del modelo alivie parte del estrés que experimenta el niño antes de someterse al tratamiento, ayudándole 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 esperada escasez de Mo-99 , y del isótopo médico de tecnecio-99m obtenido de él, también han 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 antiguas instalaciones, por ejemplo los Laboratorios Chalk River en Ontario, Canadá, que todavía producen la mayor parte del Mo-99 a partir de uranio altamente enriquecido podrían ser reemplazadas por este nuevo proceso. De esta forma se conseguirá la carga subcrítica de sales solubles de uranio en agua pesada con posterior bombardeo con fotoneutrones y extracción del producto objetivo, Mo-99. [30] [ se necesita una mejor fuente ]
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