El ciclotrón es un acelerador electromagnético que se emplea en física nuclear para aumentar la velocidad de partículas cargadas, como protones o electrones.
A través de campos magnéticos y eléctricos alternantes, las partículas son aceleradas en una trayectoria circular dentro de un anillo, lo que facilita la obtención de transmutaciones y desintegraciones de átomos.
m. Acelerador electromagnético de alta frecuencia que comunica a las partículas electrizadas gran velocidad para obtener de este modo transmutaciones y desintegraciones de átomos.
El ciclotrón es un dispositivo utilizado en física nuclear para acelerar partículas cargadas, como protones o electrones, a altas velocidades.
Este acelerador electromagnético funciona mediante el uso de campos magnéticos y eléctricos alternantes que permiten que las partículas recorran una trayectoria circular dentro de un tubo en forma de anillo.
La alta frecuencia de los campos electromagnéticos aplicados en el ciclotrón permite que las partículas ganen energía cinética a medida que atraviesan repetidamente los campos eléctricos y magnéticos. Esta energía adquirida les permite alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz, lo que resulta fundamental para llevar a cabo experimentos de física nuclear, como la transmutación de elementos químicos o la observación de reacciones nucleares.
El ciclotrón ha sido una herramienta invaluable en la investigación científica, ya que ha permitido a los científicos estudiar la estructura del núcleo atómico, investigar la radiactividad y desarrollar nuevas tecnologías en el campo de la medicina nuclear.
Su diseño y funcionamiento preciso lo convierten en un instrumento fundamental en laboratorios de física de partículas y centros de investigación avanzada en todo el mundo.
Historia del ciclotrón
Este famoso aparato, construido por primera vez por Lawrence y Livingstone en 1931, es, en esencia, un acelerador lineal en círculo. Consta de dos cajas planas semicirculares llamadas «des» por su forma, envueltas por un recipiente estanco, V, que contiene gas a baja presión.
El conjunto va colocado entre los polos de un poderoso imán y cada semicaja de aceleración recibe un voltaje de alta frecuencia de varios millones de ciclos por segundo.
Un filamento caldeado eléctricamente en S produce un haz de electrones que ioniza el hidrógeno, deuterio o helio que llenan el recipiente para producir partículas positivas, es decir, protones, deuterones o partículas alfa. S es, pues, la fuente emisora de partículas positivas, que recorren un camino circular impulsadas por la acción de un poderoso campo magnético, perpendicular al plano del círculo.
A medida que aumenta su velocidad, el campo magnético las obliga a describir círculos cada vez más amplios hasta que salen proyectadas en línea recta por T. El objeto que se ha de bombardear puede interponerse entonces en el camino del haz.
La energía que pueden alcanzar las partículas en un ciclotrón no aumenta indefinidamente con el voltaje aplicado a la «de». Con voltajes mayores, el ion da menos vueltas antes de llegar a la periferia, pero sale de ella con la misma energía, que depende exclusivamente del tamaño de aquélla y de la intensidad del campo magnético.
El primer ciclotrón tenía 280 milímetros de diámetro y producía protones con energías ligeramente superiores al MeV. Se han construido ciclotrones mayores y más costosos; uno de 4,674 m (diámetro del imán; las «des» son algo menores) en Berkeley (California) y otros dos casi tan grandes en Irvington (Nueva York) y Chicago (Illinois), de potencia ligeramente superior.
Tales ciclotrones pueden acelerar los iones hasta comunicarles energías superiores a 100 MeV, a las que el aumento de masa, según la fórmula de Einstein, empieza a ser importante.
Como la velocidad no sigue aumentando proporcionalmente a la energía ni, por lo tanto, al diámetro de la trayectoria, dichas partículas se retrasan y llegan a la salida de la «de» demasiado tarde para ser aceleradas por la inversión de sentido de la corriente.
En principio se pensó en aplicar un voltaje muy alto a la «de» del ciclotrón de Berkeley, de modo que las partículas tuvieran que dar menos vueltas, pero luego se comprobó que es posible emplear el principio en que se basa el sincrotrón (véase más adelante) y modular la frecuencia
Electric Co. construyó uno de 100 MeV en 1943 y la Universidad de Illinois terminó el suyo en 330 MeV en 1950. Este último representa casi el límite para los betatrones, ya que los electrones hiperenergéticos, al girar en círculo, pierden energía por radiación, y a los 300 MeV las pérdidas y ganancias en cada rotación casi se igualan.
El betatrón consta de un toroide de material cerámico de forma anular y sección elíptica, colocado entre las piezas polares de un potente electroimán por cuyas bobinas circula una corriente alterna de sesenta ciclos por segundo, de modo que el flujo magnético que atraviesa el plano del anillo pasa desde su valor máximo en un sentido al contrario en un 1/120 de segundo y alcanza su mayor intensidad alrededor del centro del anillo.
Como se ve, el betatrón es en realidad un transformador cuyo arrollamiento secundario, de una sola vuelta, está constituido por un flujo de electrones. Un haz de éstos, acelerados por un potencial de 50000 V, es introducido tangencialmente en el tubo en el preciso momento en que la intensidad del campo magnético empieza a crecer desde su valor cero, y durante el 1/240 de segundo siguiente, de la corriente de modo que sus alternativas se produzcan a un ritmo más lento a medida que aumenta la masa de las partículas.
De esta forma el aparato se convirtió en un sincrociclotrón; todos los ciclotrones de gran tamaño son hoy día de este tipo. Al contrario de lo que sucede en el verdadero ciclotrón, el sincrociclotrón no produce un haz continuo de iones.
Sólo un grupo de éstos es acelerado desde el centro hasta la periferia del aparato a medida que la frecuencia disminuye; este proceso se repite con otro grupo y así sucesivamente en forma de pulsaciones; el sincrociclotrón de Berkeley produce sesenta de estas pulsaciones por segundo.
En los grandes sincrociclotrones se obtienen iones (protones, deuterones, partículas alfa y hasta núcleos de carbono) con energías de unos 400 MeV. Para lograr partículas de mayor energía resultan decididamente más ventajosos otros tipos de aceleradores, de manera que no es probable que se construyan ciclotrones mayores.
m. Electr. Aparato que actúa por fuerzas electromagnéticas sobre elementos desprendidos de un átomo, haciéndoles recorrer determinada órbita con movimientos acelerados hasta imprimirles una enorme velocidad con el fin de que sirvan de proyectiles para bombardear otros átomos.
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Preguntas de los visitantes
Ciclotron: usos y aplicaciones en la Física
Nombre: Santiago - Fecha: 16/05/2023
¡Hola! Me gustaría saber más sobre el ciclotrón y sus diferentes aplicaciones en el campo de la Física. ¿Podrían proporcionar información detallada al respecto? ¡Gracias!
Respuesta
El ciclotrón es un acelerador de partículas que se utiliza en la física para acelerar y colisionar partículas subatómicas. Algunas de las aplicaciones del ciclotrón en la física incluyen:
- Producción de radioisótopos para uso médico: los ciclotrones se utilizan para producir radioisótopos que se usan en medicina nuclear para diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
- Investigación en física nuclear: los ciclotrones son herramientas importantes en la investigación de la estructura del núcleo atómico y en la búsqueda de nuevas partículas subatómicas.
- Producción de haces de iones: los ciclotrones se utilizan para generar haces de iones que se utilizan en la investigación de materiales y en la fabricación de dispositivos electrónicos.
- Radioterapia: los ciclotrones se utilizan para producir haces de protones y otros iones pesados que se utilizan en la radioterapia para tratar el cáncer.
Espero que esto te haya sido de ayuda. Si tienes alguna otra pregunta, no dudes en preguntar.
