Acelerador de partículas. El ciclotrón.

1. Introducción

El ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas ideado en 1931 por Ernest O. Lawrence y M. Stanley Livingstone, en la Universidad de Berkley (California). El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos, Lawrence y Livingstone idearon el ciclotrón que evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.

2. Tipos de ciclotrón

2.1 Ciclotrón clásico: acelerador de partículas en el que se inyecta un chorro de partículas en el seno de un campo magnético que las acelera en una trayectoria circular. A medida que las partículas ganan energía, el campo las obliga a recorrer una espiral creciente, saliendo al final proyectadas en línea recta del acelerador.

2.2. Sincrotrón: el principio de funcionamiento es idéntico al del ciclotrón, ya que las partículas se aceleran en una trayectoria circular. Sin embargo, para sincronizar con precisión la intensidad del campo que proporciona energía a las partículas con la ganancia de masa de éstas debida a los efectos relativistas, se utiliza un campo eléctrico oscilante. Dicho campo permite dar a las partículas la energía necesaria en cada momento.

2.3. Sincrociclotrones: hoy en día todos los ciclotrones son en realidad sincrociclotrones, ya que el campo acelerador de las partículas es un campo oscilante similar al usado en un sincrotrón, lo que permite sincronizar con mayor eficacia la ganancia de masa/energía.

2.4. Microtrones: son los ciclotrones más pequeños y su función es la aceleración de resonancia de los electrones en el campo eléctrico de frecuencia de microonda. En los imanes de los microtrones se utiliza, generalmente, una inducción del campo magnético pequeña (diez veces menor, aproximadamente, que en los ciclotrones).

2.5. Ciclotrones isócronos: cuanto mayor es la intensidad del campo magnético, más revoluciones hace la partícula cargada en una unidad de tiempo. El aumento de la masa de la partícula y, por consiguiente su energía, podrían compensarse, y la energía de las partículas obtenidas en el ciclotrón crecerá. Los ciclotrones isócronos permiten elevar la energía de las partículas obtenidas en los aceleradores de ese tipo hasta 700-800 MeV. El aumento ulterior de la energía se complica debido a que, por causas tecnológicas, es difícil cumplir exactamente todas las exigencias en cuanto a la configuración del campo magnético de los ciclotrones de energías tan altas.

3. Funcionamiento de una partícula en un ciclotrón.

Inicialmente la partícula cargada q entra en D2 con velocidad v1 debido a la aceleración que le produce al campo eléctrico existente entre D1 y D2. Bajo la acción del campo magnético, describe una circunferencia de radio r1 = (m*v1)/(q*B) y velocidad angular w = (B*q)/m.

Cuando q sale de D2 se ha invertido al campo eléctrico siendo la partícula acelerada entre D1 y D2, por lo cual entra en D1 con una velocidad v2 > v1 describiendo una circunferencia de radio
r2 = (mv2)/(q*B).

Siendo R el radio de D1 y D2, la velocidad máxima con que sale la partícula es Vmax=(R*B*q)/m. Su energía cinética final será Ec=(1/2)*m*(Vmax)^2.