Aceleradores Ciclotrón

El principio ciclotrón implica el uso de un campo eléctrico para acelerar partículas cargadas, a través de un hueco de un campo magnético entre dos regiones en "forma de D". El campo magnético acelera las partículas en un semicírculo, tiempo durante el cual el campo eléctrico invierte su polaridad, para acelerar de nuevo la partícula cargada, a medida que avanza a través del hueco en la dirección opuesta. De esta manera, un campo eléctrico moderado puede acelerar cargas a una alta energía. Esto permitió superar la dificultad de la descarga eléctrica provocada por los altos voltajes de DC en los aceleradores de Cockroft-Walton y van de Graaf.

En 1930, Earnest O. Lawrence operó con éxito el primer ciclotrón, acelerando protones con un voltaje de radio-frecuencia (RF), aplicado a través del hueco entre las dos regiones de campos magnéticos en forma de D. El primer modelo tenía solamente 10 cm de diámetro. Con la ayuda de M. Stanley Livingston, se construyó una unidad más grande, de unos 25 cm de diámetro y aceleraba protones a aproximadamente 1 MeV de energía.

El límite superior de la energía obtenible por el ciclotrón, está establecida por los efectos relativistas. Dado que la frecuencia del ciclotrón del voltaje de aceleración de RF, depende de la masa de la partícula, los efectos de la masa relativista causa que la partícula se vaya saliendo progresivamente del sincronismo con los voltajes de aceleración, a medida que aumenta su velocidad. Este problema se aborda en el sincrociclotrón, variando la frecuencia de la tensión de aceleración para que se vaya ajustando a los efectos relativistas.

Sincrociclotrón

Dado que la frecuencia del ciclotrón depende de la energía relativista de las partículas que se aceleran, el ciclotrón con su voltaje fijo de frecuencia de aceleración, va saliendo progresivamente fuera de sincronización, con el movimiento de las partículas a medida que alcanzan la velocidad relativista. En 1945 se desarrolló la tecnología para variar la frecuencia de la tensión de aceleración, para seguir el cambio en la energía relativista de las partículas. Este dispositivo se llamó sincrociclotrón, y se ha utilizado para acelerar partículas a alrededor de 700 MeV de energía. Eso es cerca de 100 veces la energía obtenible por la radiactividad natural.

Dado que la frecuencia de aceleración es variable, ya no es necesario el uso de los altos voltajes de aceleración de los ciclotrones, que necesitaban obtener la mayor energía posible en unos pocos ciclos. Los voltajes de aceleración en el sincrociclotrón son típicamente de aproximadamente 10 kV, y la limitación de la máxima energía de partícula, es fijada por el tamaño del dispositivo (es decir, el radio de la región del campo magnético).

Betatrón

Inventado en 1940 por D. W. Kerst, el betatrón es un acelerador circular de electrones. Se diferencia del ciclotrón en que la aceleración de los electrones se logra mediante el aumento del flujo magnético a través de la órbita de los electrones. Los electrones viajan en una órbita de radio fijo, y son acelerados por el campo magnético que también los mantiene en la órbita.

En el betatrón, se debe hacer frente a los efectos relativistas sobre el electrón, así como la pérdida de energía por la radiación. Todas las cargas aceleradas irradian energía electromagnética, y los electrones acelerados, emiten mas energía en un rango de energía cinética determinada, que lo que harían los protones. Esta pérdida de energía por radiación, llamada radiación del sincrotrón, limita el máximo de energía del betatrón a unos pocos cientos de MeV. El programa de aceleración para el aumento del flujo magnético, para mantener acelerando el electrón en una órbita de radio fijo, debe tener en cuenta el cambio en la energía de partícula relativista γmc².