Acelerador lineal

Uno de los aceleradores lineales más largos del mundo (3 km) en SLAC en California
Un LINAC en el KEK de Japón. Los anillos (amarillos) con devanados en forma de radios (marrones) son imanes cuadrupolos para enfocar el haz de partículas.

Un acelerador lineal o LINAC (del inglés acelerador lineal ) es un acelerador de partículas que acelera partículas cargadas como electrones , positrones o iones en línea recta.

Esta designación casi siempre se refiere a un sistema en el que la aceleración se logra utilizando una tensión alterna de alta frecuencia . Por tanto, el término más preciso, pero que se utiliza raramente, es acelerador lineal de alta frecuencia ( linac de radiofrecuencia en inglés ). Los aceleradores de voltaje de CC también tienen trayectorias de partículas rectas, pero generalmente no se les llama aceleradores lineales. Aquí se han establecido los nombres de los tipos individuales como el acelerador Van de Graaff , el acelerador Cockcroft-Walton , Dynamitron , etc.

En comparación con los diferentes tipos de aceleradores de anillo , un acelerador lineal es técnicamente más simple y evita la pérdida de energía de las partículas debido a la radiación de sincrotrón debido a la trayectoria recta de las partículas . Por otro lado, necesita muchos más elementos de aceleración porque las partículas solo atraviesan cada elemento una vez y no repetidamente. Para energías de partículas elevadas, se requieren longitudes de construcción de muchos kilómetros.

Los aceleradores lineales se utilizan a menudo para experimentos de física de partículas , ya sea directamente o como preacelerador para sincrotrones de investigación . Los sistemas de sincrotrón de electrones para generar radiación de sincrotrón generalmente también contienen un acelerador lineal como etapa preliminar. Los aceleradores lineales de electrones de menor energía se utilizan principalmente para la generación de radiación X utilizada, como para radioterapia médica , inspección radiográfica o esterilización por radiación .

Primeros desarrollos: el acelerador Wideröe

Acelerador más ancho: las partículas positivas (rojas) se aceleran hacia adelante en el espacio entre los tubos de deriva. (La flecha roja representa la dirección del campo eléctrico).

En los primeros aceleradores, las partículas se aceleraban mediante voltajes directos , como en un cañón de electrones . La energía de las partículas corresponde directamente a la tensión de funcionamiento, que está técnicamente limitada por problemas como corrientes de fuga , descargas de corona o arcos . Para evitar esto, Gustav Ising propuso un acelerador lineal AC en 1924 . Un acelerador de este tipo fue construido por primera vez por Rolf Wideröe en 1928 en la Universidad RWTH Aachen . La idea básica es que la partícula se somete muchas veces al mismo voltaje de aceleración. A pesar de un voltaje relativamente bajo, la partícula alcanza una alta energía cinética de esta manera .

El acelerador Wideröe consta de muchos electrodos tubulares , los tubos de deriva , que están dispuestos a lo largo de un eje recto. Estos se llevan alternativamente a un potencial eléctrico positivo y negativo . Dado que el tubo de deriva en sí mismo actúa como una jaula de Faraday , no hay ningún campo eléctrico en el interior. La partícula vuela allí a una velocidad constante, sin verse afectada por un voltaje aplicado. Es diferente en el espacio entre dos tubos de deriva vecinos; allí la partícula está influenciada por el campo eléctrico. La polaridad de los tubos de deriva debe cambiar para que la partícula en el espacio siempre encuentre la dirección del campo adecuada para la aceleración hacia adelante. Dicho campo eléctrico alterno es generado por una fuente de voltaje alterno de la frecuencia apropiada, un generador de alta frecuencia . En la configuración experimental original de Wideroe, la frecuencia era de 1 megahercio . Si la longitud del tubo se elige de modo que el tiempo de vuelo de la partícula a la siguiente rendija sea igual a la mitad del período de la tensión alterna, la dirección del campo de aceleración también se encontrará allí. Dado que la velocidad de las partículas aumenta con cada paso de aceleración, pero el tiempo para la inversión de polaridad sigue siendo el mismo, la longitud de los tubos de deriva individuales debe aumentar en consecuencia, como se indica en la figura.

A 1,2 m de largo acelerador Widerøe con 30 tubos de deriva fue construido por Lawrence en Berkeley en 1931 . Funcionó con un voltaje de 42 kilovoltios a 7 megahercios y aceleró los iones de mercurio a 1,26 MeV .

Los aceleradores Wideröe son adecuados para velocidades de partículas de hasta aproximadamente el 5% de la velocidad de la luz . Por ejemplo, esto corresponde a una energía de 1,2 MeV para protones y solo 640 eV para electrones con su pequeña masa . En consecuencia, el acelerador Wideröe se ha vuelto irrelevante para los electrones. Incluso a esta velocidad, el tubo de deriva debe tener varios metros de largo a las frecuencias que se pueden utilizar en la práctica, y se nota la velocidad limitada de propagación de la corriente.

Conceptos modernos de aceleradores lineales

Cuanto mayor sea la frecuencia de la tensión de aceleración seleccionada, más impulsos 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 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 llamados estructuras de acelerador en términos técnicos) que se han utilizado desde alrededor de 1950 funcionan con frecuencias en el rango de alrededor de 100 megahercios (MHz) a unos pocos gigahercios (GHz) y utilizan el componente de campo eléctrico de las ondas electromagnéticas .

Ondas estacionarias y ondas viajeras

Cuando se trata de energías de más de unos pocos MeV, los aceleradores de iones difieren de los de electrones. La razón de esto es la gran diferencia de masa entre las partículas. Con solo unos pocos MeV, los electrones están cerca de la velocidad de la luz , el límite absoluto de velocidad; con una mayor aceleración, como la 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 como resultado de una mayor aceleración.

Los conceptos de aceleración que se utilizan hoy en día para los iones siempre se basan en ondas estacionarias electromagnéticas que se forman en resonadores adecuados . Dependiendo del tipo de partícula, rango de energía y otros parámetros, se utilizan tipos de resonadores muy diferentes; las siguientes secciones solo cubren algunos de ellos. Los electrones también pueden acelerarse con ondas estacionarias por encima de unos pocos MeV. Una alternativa ventajosa aquí, sin embargo, es una onda progresiva, una onda viajera . La velocidad de fase de la onda viajera debe ser aproximadamente la misma que la velocidad de las partículas. Por lo tanto, esta técnica solo es adecuada cuando las partículas están casi a la velocidad de la luz, por lo que su velocidad solo aumenta muy poco.

El desarrollo de osciladores de alta frecuencia y amplificadores de potencia de la década de 1940, especialmente el klystron, fue esencial para estas dos técnicas de aceleración . El primer acelerador lineal más grande con ondas estacionarias, para protones, se construyó en 1945/46 en el Laboratorio de Radiación de 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 (gigahercios) fue desarrollado un poco más tarde en la Universidad de Stanford por WW Hansen y sus colegas.

  • Principio de aceleración de paquetes de partículas.

  • por una onda estacionaria

  • por una ola viajera

En los dos diagramas, la curva y las flechas indican la fuerza que actúa sobre las partículas. Solo 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. (No se puede ver un aumento en la velocidad en la escala de estas imágenes).

Enfocar

En el caso de muchas estructuras de aceleradores lineales, el haz de partículas debe enfocarse (mantenerse unido) a lo largo de su trayectoria utilizando medidas especiales . Para ello, a veces se utilizan imanes de cuadrupolo e imanes de sextupolo y , a veces, solenoides a través de los cuales el rayo vuela a lo largo de su eje. Los elementos de enfoque están dispuestos alternativamente con los elementos de aceleración.

Acelerador de cuadrupolo de alta frecuencia

Electrodos de un resonador RFQ. La sección transversal de cada electrodo es hiperbólica . Se muestran dos electrodos cortados para mostrar el contorno. La distancia entre el eje y el electrodo varía sinusoidalmente. Donde el espaciamiento axial de los electrodos horizontales tiene el valor mínimo a, es máximo para los electrodos verticales (b) y viceversa.

El resonador Hochfrequenzquadrupol, generalmente como RFQ (cuadrupolo de radiofrecuencia) - llamado acelerador , es adecuado para el mismo rango de velocidad que el acelerador Wideroe, pero tiene un diseño mucho más compacto. Fue propuesto en 1969 por los investigadores rusos Kapchinskiy y Teplyakov. Utiliza un cuadrupolo eléctrico dentro de un resonador de cavidad . Los cuatro electrodos se colocan simétricamente alrededor del haz de partículas, corren paralelos a él y están conformados de tal manera que su distancia desde el eje del haz varía de manera ondulada. Esto le da al campo eléctrico alterno de la onda estacionaria un componente longitudinal que apunta alternativamente en y contra la dirección del haz. Un haz de partículas continuo alimentado se descompone en paquetes de partículas y estos se aceleran. Los componentes transversales del campo tienen un efecto de enfoque en el haz. A diferencia del enfoque magnético, este enfoque eléctrico también es efectivo para iones muy lentos porque su fuerza no depende de la velocidad de la partícula.

Los resonadores RFQ funcionan a frecuencias de hasta 500  MHz . A menudo se utilizan como precursores de aceleradores de iones de alta energía, pero también en el rango de energía MeV en lugar de aceleradores de voltaje CC.

Resonadores de cavidad simétrica cilíndrica

funcionalidad

Se pueden usar versiones más o menos modificadas del resonador de pastillero para acelerar los iones en el rango de MeV y más allá . Estos resonadores de cavidad simétrica de cilindro a menudo se denominan cavidad inglesa (dt. Cavity) o cavidad en términos técnicos . Sus frecuencias de resonancia suelen ser de unos cientos de megahercios. Las partículas se mueven a lo largo del eje del cilindro. El modo TM 010 se utiliza para las diversas formas de onda (modos) que son posibles en dicho resonador . Las líneas del campo magnético corren alrededor del haz y las líneas del campo eléctrico corren a lo largo de la dirección del haz.

Las secciones de aceleración en los sincrotrones , también para los electrones, también son en su mayoría resonadores de cavidad, posiblemente superconductores .

Resonadores individuales

Resonador único. Se indican las direcciones de los campos eléctrico (E) y magnético (B) de la onda TM 010 utilizada. Debajo de la alimentación inductiva de alta frecuencia mediante un bucle de acoplamiento

En el caso del resonador único, los tubos de deriva se insertan en las paredes de los extremos del resonador de modo que el campo de aceleración se concentre en el espacio entre sus extremos. La frecuencia de resonancia depende aproximadamente sólo del diámetro y es inversamente proporcional a él; un resonador para 500 MHz tiene, p. ej. B. 46 cm de diámetro interior. Se puede construir un acelerador lineal a partir de varios resonadores individuales. Además del tipo más simple que se muestra, también hay resonadores multicelulares. En general, cada resonador se alimenta de su propio amplificador y oscilador de alta frecuencia ; Dependiendo del diseño del acelerador y del tipo de partícula, debe garantizarse la posición de fase correcta de los osciladores.

Acelerador Alvarez

El acelerador Alvarez, que lleva el nombre de Luis Alvarez, consiste en un tubo cilíndrico largo como resonador. En el interior, los tubos de deriva están unidos a lo largo del eje; a este respecto, recuerda a la construcción Wideröe. Los tubos de deriva están unidos a la pared del tubo mediante alambres o vástagos delgados. Esta estructura de aceleración puede entenderse como una cadena de resonadores individuales en una fila. Aquí también se utiliza la onda TM 010 . La frecuencia de resonancia suele ser de 100 a 200 MHz. Se pueden construir pequeños imanes cuadrupolos en los tubos de derivación para enfocar, cuya alimentación y, si es necesario, de agua de refrigeración se enrutan a través de la fijación de los tubos de derivación. Los aceleradores de Álvarez funcionan bien para iones de hasta aproximadamente un 60% de la velocidad de la luz. El primer espécimen homónimo en Berkeley tenía 12 m de largo y aceleraba los protones a 32 MeV. Las estructuras de Álvarez se utilizan, por ejemplo, como precursoras de los grandes sincrotrones de iones.

Acelerador lineal para electrones

Acelerador de ondas viajeras

Una onda progresiva (onda viajera) en una guía de ondas cilíndrica es particularmente adecuada para una mayor aceleración de electrones que ya están casi a la velocidad de la luz ; los electrones luego "surfean" en la cresta de las olas. Por lo tanto, la fuerza de aceleración actúa constantemente y no solo pulsa sobre la partícula. Se utiliza el modo TM 01 . La velocidad de fase de la onda, que en un tubo liso sería mayor que la velocidad de la luz, se reduce en la medida necesaria mediante diafragmas circulares perforados unidos regularmente ("diafragmas iris"). Un tubo de aceleración de este tipo también se denomina tubo corrugado . También se puede ver como una serie de resonadores de pastilleros colocados directamente uno al lado del otro, cuyos “fondos” están perforados en el medio. Las ondas estacionarias se evitan aquí, sin embargo, combinando la distancia entre los diafragmas y la longitud de onda.

La onda viajera se crea cuando la energía de alta frecuencia se alimenta al comienzo de la tubería. La onda se amortigua por la transferencia de energía a las partículas (e inevitablemente también a la pared de la tubería) . Al final de la tubería, con aceleradores más grandes al final de una sección de tubería de unos pocos metros como máximo, la potencia residual no absorbida por el haz de partículas y la pared de la tubería se desacopla y se absorbe en una resistencia de carga sin reflexión. En consecuencia, los aceleradores de ondas viajeras más grandes constan de varias o muchas secciones, cada una con su propia fuente de alimentación.

El acelerador de electrones más energético del mundo (45 GeV, 3 km de longitud) en el Stanford Linear Accelerator Center es un acelerador de onda viajera, al igual que la mayoría de los aceleradores lineales de electrones compactos para fines médicos e industriales con energías de alrededor de 5 a 50 MeV.

Resonadores de cavidad superconductora

Resonador de cavidad superconductora de niobio para la aceleración de electrones ( proyecto TESLA ). El resonador de nueve celdas de 1,25 m de longitud tiene una frecuencia de resonancia de 1,3 GHz

Una desventaja fundamental de la aceleración de la onda viajera es que la onda se amortigua en su curso; por otro lado, con resonadores alimentados individualmente, con un esfuerzo correspondientemente mayor para generar la potencia de alta frecuencia, la máxima intensidad de campo posible puede estar disponible para el haz en toda la longitud del acelerador . En los sistemas para una energía final muy alta, el mayor aumento posible de energía por metro de longitud es crucial para minimizar la longitud total y, por tanto, los costes de construcción. Por lo tanto, las ondas estacionarias en resonadores de cavidad también son aquí ventajosas para los electrones, especialmente si se acepta el gasto de componentes superconductores . El tipo de resonador para electrones que se muestra a la derecha fue desarrollado y probado en DESY . Aquí también se utiliza el eje TM 010 . Con este tipo, con un modelado y un tratamiento de superficie cuidadosos, se han logrado intensidades de campo de hasta aproximadamente 35 MV por metro.

El mismo tipo de resonador se utiliza, por ejemplo, en el acelerador lineal de la instalación ELBE , un tipo similar de 20 celdas en el acelerador lineal S-DALINAC . En estos y sistemas similares para energías electrónicas medias-altas (por debajo de 100 MeV), el uso de superconductividad sirve menos para lograr la máxima ganancia de energía por metro y más para ahorrar energía de alta frecuencia, de modo que los amplificadores de potencia más pequeños son suficientes.

Operación de onda continua y pulsada

Cada acelerador de voltaje de CA básicamente solo puede acelerar aquellas partículas que alcanzan la distancia de aceleración con una posición de fase adecuada del voltaje de CA. Por lo tanto, el haz de partículas siempre se divide en "paquetes", es decir, pulsados ​​y no continuos. En la práctica, este Mikropulsung no suele denominarse pulsante. A condición de que la fuente de RF está trabajando continuamente y un montón de partículas (con cada eje único Inglés manojo se acelera), es de onda continua (cw) FUNCIONAMIENTO hablada o el modo de onda continua. Se habla de funcionamiento pulsado o haz pulsado sólo cuando el voltaje de alta frecuencia no se aplica constantemente, sino que se enciende y apaga regularmente ("tecleado"), de modo que surgen macro pulsos .

Conceptos en desarrollo

Actualmente (2015) se encuentran en desarrollo varios conceptos nuevos. El objetivo principal es hacer que los aceleradores lineales sean más baratos, con haces mejor enfocados, mayor energía o mayor corriente de haz.

Acelerador lineal de inducción

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 son magnetizados por pulsos de alta corriente y, a su vez, generan cada uno 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 . El concepto se remonta al trabajo de Nicholas Christofilos . Su realización depende en gran medida de los avances en el desarrollo de materiales de ferrita 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.

Recuperación de energía Linac

En los aceleradores lineales de electrones anteriores, las partículas aceleradas solo se utilizan una vez y luego se introducen en un absorbedor (descarga de haz) , en el que su energía residual se convierte en calor. En un Energy Recovery Linac (ERL; literalmente: "Acelerador lineal de recuperación de energía"), los electrones acelerados en resonadores y utilizados en onduladores , por ejemplo, se devuelven a través del acelerador con un cambio de fase de 180 grados. Por lo tanto, pasan a través de los resonadores en la fase de desaceleración y devuelven 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 puede utilizar para la siguiente aceleración cargando una batería.

El Laboratorio Nacional Brookhaven y el Centro Helmholtz de Berlín , entre otros, informaron sobre el trabajo de desarrollo correspondiente con el proyecto “bERLinPro”. 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 Energy Recovery Linacs estaban en funcionamiento en todo el mundo : en el Jefferson Lab (EE. UU.), En el Budker Institute for Nuclear Physics (Rusia). ) y en JAEA (Japón). Un ERL llamado MESA está en construcción en la Universidad de Mainz y debería (a partir de 2019) entrar en funcionamiento en 2022.

Colisionador lineal compacto

El concepto de Compact Linear Collider (CLIC) (nombre original CERN Linear Collider , con la misma abreviatura) para electrones y positrones proporciona un acelerador de onda viajera para energías del orden de 1 tera-electrón voltio (TeV). En lugar de los numerosos amplificadores de klystron que de otro modo serían necesarios para generar la potencia de aceleración, se utilizará un segundo acelerador lineal de electrones paralelos de menor energía, que trabaja con cavidades superconductoras en las que se forman ondas estacionarias. La energía de alta frecuencia se extrae a intervalos regulares y se transmite al acelerador principal. De esta manera, se logrará la muy alta intensidad del campo de aceleración de 80 MV / m.

Acelerador de Kielfeld

En el caso de los resonadores de cavidad, la rigidez dieléctrica limita la aceleración máxima que se puede lograr dentro de una cierta distancia. Este límite se puede eludir en los aceleradores de Kielfeld : un rayo láser o de partículas excita una oscilación en un plasma , que se asocia con intensidades de campo eléctrico muy fuertes. Esto significa que posiblemente se puedan construir aceleradores lineales significativamente más compactos.

compromiso

Acelerador lineal de iones

En la investigación física básica, los aceleradores lineales se utilizan generalmente para los mismos fines que los aceleradores de anillo . Con aceleradores de iones lineales basados ​​en ondas estacionarias, por ejemplo, la energía del protón de 800 MeV se logra a una intensidad de corriente (promedio de tiempo) del haz de 1 mA ( acelerador LANSCE en el Laboratorio Nacional de Los Alamos , EE. UU.). Los sistemas para energías de protones más bajas, por ejemplo, alcanzan habitualmente 25 mA. Para fines de investigación aplicada, pueden ser necesarias corrientes aún más altas: se supone que el prototipo (en construcción, a partir de 2012) de un acelerador lineal para el proyecto IFMIF entregará un haz de deuterón cw de 125 mA.

Prácticamente todas las instalaciones de sincrotrón de iones utilizan un acelerador lineal como etapa preliminar.

Acelerador lineal de electrones

Acelerador de electrones lineal médico para la terapia del cáncer en el UKSH Campus Kiel

En el caso de los electrones, los aceleradores lineales tienen la ventaja sobre los aceleradores de anillo de que se evita la pérdida de energía debida a la radiación de sincrotrón . Por esta razón, los colisionadores de electrones con muy alta energía también se construyen con aceleradores lineales. El Colisionador Lineal Internacional planeado prevé dos aceleradores lineales enfrentados, cada uno de unos 15 km de longitud y una energía final de hasta 500 GeV por partícula.

El acelerador de electrones SLC existente en Stanford, que forma parte de un sistema colisionador, utiliza tecnología de ondas viajeras para generar un haz de 45 GeV y 670 nA (nanoamperios) promediados en el tiempo. El acelerador SAME proporciona los resonadores superconductores anteriores de casi 40 MeV por haz de corriente continua de 1,6 mA, pero en pulsos cortos de hasta varios cientos de amperios.

Algunos láseres de electrones libres funcionan con un acelerador lineal, por ejemplo, el sistema FLASH en el centro de investigación DESY. La aceleración real en microtrones de la pista también se lleva a cabo mediante un linac de electrones.

Existen aplicaciones prácticas sobre todo para los aceleradores lineales de electrones más cortos. Se utilizan principalmente para generar rayos X , principalmente en dispositivos médicos para radioterapia . Muchos de estos dispositivos están configurados para el uso alterno de ambos tipos de radiación, haces de electrones y rayos X. Son típicas para los dispositivos médicos corrientes de haz de aproximadamente 1 mA promediadas a lo largo del tiempo para la generación de rayos X o 1 µA para la irradiación directa con electrones.

Los aceleradores lineales de electrones también se utilizan cada vez más en la industria. Al igual que con otros tipos de aceleradores, se pueden utilizar en una amplia variedad de formas, que van desde pruebas radiográficas de componentes de paredes gruesas y rayos X de contenedores de carga hasta esterilización por radiación o irradiación de alimentos .

literatura

Generalmente:

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Acerca de los aceleradores lineales de inducción:

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  39. ↑ Arne Grün, Thomas Kuhnt et al . : Reirradiación para tumores de cabeza y cuello localmente recurrentes y para cáncer de próstata. En: Deutsches Ärzteblatt. Volumen 117, Número 10, 6 de marzo de 2020, págs. 167-174, aquí: pág. 169 (sobre teleterapia )
  40. ↑ H. Krieger: Fuentes de radiación para tecnología y medicina . Teubner, 2005, pág.195.
  41. ^ Samy Hanna: Aceleradores lineales RF para aplicaciones médicas e industriales. Casa Artech, 2012, págs. 121-148.

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Ver también

Esta versión se agregó a la lista de artículos que vale la pena leer el 15 de diciembre de 2013 .