Ciclotrón
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Ciclotrón, resonador magnético ó desintegrador atómico. Este suministra energías muy elevadas a los iones positivos (Decenas de millones de electronvoltios), con estos iones positivos de alta energía se bombardean algunas sustancias que se convierten en radioactivas y generalmente se desintegran.
Sumario
Historia
El primer acelerador circular se llamó: ciclotrón. El físico estadounidense Ernest O. Lawrence fue galardonado con el Premio Nobel de Físicaen 1939 por el invento y desarrollo del ciclotrón, un dispositivo para acelerar partículas subatómicas. Lawrence desarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Es una especie de acelerador lineal arrollado en una espiral. En vez de tener muchos tubos, la máquina sólo tiene dos cámaras de vacío huecas, llamadas des, cuya forma es la de dos D mayúsculas opuestas entre sí. Un campo magnéticoproducido por un potente electroimánhace que las partículas se muevan en una trayectoria curva. Las partículas cargadas se aceleran cada vez que atraviesan el hueco entre las des. A medida que las partículas acumulan energía, se mueven en espiral hacia el borde externo del acelerador, por donde acaban saliendo.
Frecuencia de un ciclotrón
Es muy sencillo demostrar que el periodo del movimiento circular de una carga en el seno de un campo magnético no depende del radio de la trayectoria. Para ello se sigue los siguientes pasos.
- -La velocidad de la partícula puede expresarse en función del periodo T de su movimiento circular
por la expresión v = 2pr/T
- - Se puede deducir otra expresión de v teniendo en cuenta que la fuerza magnética que actúa sobre la carga F=qvB es la fuerza centrípeta F = mv2/r del movimiento circular que describe. Se obtiene que v = rqB/m
- - Igualando ambas expresiones de la velocidad puede despejar el periodo T = 2pm/qB.
No aparece dependencia con el radio
Este resultado es importante al constituir la base de funcionamiento de los ciclotrones.
El ciclotrón
El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presenta grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.
La mayoría de los actuales aceleradores de partículas de alta energía descienden del primer ciclotrón de protones de 1 MeV construido por E. O. Lawrence y M. S. Livingstone en Berkeley California.
Características
Elciclotrónconsta de dos placas semicirculares huecas, llamadas 'Ds', a las cuales se les hace el vacío, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es perpendicular al plano de las placas.
A dichas placas se le aplican oscilacionesde alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas. Las 'Ds' se mantienen a una diferencia de potencial que se alterna en el tiempo con periodo T, escogido de modo que sea igual al periodo del ciclotrón.
Al mismo tiempo no existe campo eléctrico entre las 'Ds' debido al blindaje metálico.
Las partículas cargadas positivamente se inyectan inicialmente en la D1 con una velocidad pequeña rocedentes de una fuente de iones próxima a la región diametral. Se mueven en una semicircunferencia en D1,debido a la acción del campo magnético, y llegan al hueco entre D1 y D2 (región diametral) al cabo de un tiempo 1/2 T.
El potencial variable se ajusta de modo que la D1 está a mayor potencial que la D2 cuando los iones llegan al hueco entre ambas. Cada partícula se acelera, por tanto, a través de ese hueco a causa del campo eléctrico y gana una energía cinética igual a q. Al poseer más energía cinética, la partícula se mueve en un semicírculo de mayor radio en la D2 y de nuevo llega al hueco después de un tiempo 1/2T,porque el periodo es independiente de la velocidad de la partícula, ya que los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones. En este tiempo el potencial entre las 'Ds' vuelve a invertirse, por lo que la partícula vuelve acelerarse a través del hueco ganando otra vez energía cinética.
Cada vez que la partícula llega al hueco es acelerada ganando energíacinéticaigual a q. De este modo se mueve en órbitas semicirculares cada vez mayores espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que eventualmente abandona el campo magnético.
En la gráfica esquemática de un ciclotrón, donde se observa la trayectoria en espiral de un protón hasta salir del campo magnético y del aparato.
Métodos del ciclotrón
Método directo
El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.
La mayoría de los actuales aceleradores de partículas de alta energía descienden del primer ciclotrón de protones de 1 MeV construido porE. O. Lawrence y M. S. Livingstone en Berkeley California.
El estudio del ciclotrón se ha dividido en dos programas:
- -En el primero se trata de visualizar la trayectoria seguida por un Ion en un ciclotrón, y conocer los factores de los que depende la energía final, cuando finalmente, toca con las paredes del ciclotrón.
- - En el segundo programa, se trata de determinar la frecuencia de resonancia del ciclotrón. Es decir, la frecuencia del potencial oscilante para que el Ion sea siempre acelerado.
Descripción
El ciclotrón consta de dos placas semicirculares huecas, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas y se hace el vacío. A dichas placas se le aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas. Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, formados en la región diametral, hacia el interior de una de uno de los electrodos, llamados 'Ds', donde se les obliga a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de nuevo en la región intermedia.
El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones. En consecuencia, cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su sentido y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al pasar al interior de la otra 'D'.
Como los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de sus velocidades.
Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas y, por tanto, se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la periferia del aparato.
Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos multiplicados por el número de veces que el Ion ha pasado por la región intermedia entre las 'Ds'. Movimiento circular
Aceleración del Ion.
El Ion es acelerado por el campo eléctrico existente entre las D's. Incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las D's.
Cuando el Ion completa una semicircunferencia en el tiempo constante P1/2, se invierte la polaridad por lo que el Ion es nuevamente acelerado por el campo existente en la región intermedia. El Ion de nuevo, incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las D's.
La energía final del Ion es nqV,siendo n el número de veces que el Ion pasa por la región entre las D's.
Fuentes
- -Dispositivos y circuitos electrónicos. Millman y Cristos C. Halkias. Primera parte, Página:
50, 51, 52, 53, 54.
