Os
aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem
energia a feixes de
partículas subatômicas eletricamente carregadas.
Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta
energia
em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma
precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas
televisões e geradores de raios-X, na produção de
isótopos
radioativos, na
radioterapia do câncer, na
radiografia
de alta potência para uso industrial e na
polimerização de plásticos.
[editar] Tipos de aceleradores
Acelerador de partículas fabricado pela
Philips-
Eindhoven
em
1937
para a pesquisa e desenvolvimento de Bombas A
O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído
utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos
elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um
campo magnético que as desvia de suas trajetórias focalizando-as e
controlando as direções(defletindo-as).
Todos os tipos de aceleradores independentemente de seu grau de
avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à
disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela
aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos:
cíclicos e lineares.
Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a
necessidade de geração de vácuo de excelente qualidade na região de
trânsito, evitando assim a dispersão destas pelas moléculas de gases que
porventura estejam em sua trajetória.
[editar] Tubos
de Raios Catódicos, TRC (mais conhecidos como CRT)
Um exemplo simples de acelerador de partículas, com todas as
características citadas acima, são os
tubos de raios catódicos de
aparelhos
de televisão. Estes dispositivos dispõem, numa de suas
extremidades, um cátodo onde os elétrons ganham energia pelo
aquecimento, escapando de seus átomos e ficando “livres”.
Cada elétron possui uma negativação individual. Ao se destacar do
cátodo aquecido pelo filamento (
Efeito Édison) estas partículas ficam
expostas a um campo elétrico estabelecido pela aplicação de diferença de
potencial entre aquele cátodo e o outro extremo, ou ânodo nas
proximidades do ecrã (tela, no português brasileiro).
Uma vez emitidos, os elétrons são acelerados em direção a um foco
entre um elétrodo chamado grade de controle e a um ânodo chamado de
primeiro ânodo. A diferença de potencial aplicada à grade de controle
determina a
corrente eletrônica
ou
fluxo eletrônico, mais fluxo, mais brilho,
menos fluxo, menos brilho, ou seja, controla o bombardeio de elétrons no
ecrã.
A diferença de potencial do primeiro ânodo num tubo hipotético gira
em torno de 250 V proporcionando assim uma primeira aceleração em sua
direção, porém, não há a captura das partículas, pois estão sendo
atraídas em direção a um potencial maior. A alta tensão está presente no
segundo ânodo, esta gira em torno de + 12.000 V, que atrai os elétrons
ainda mais, porém, estes passam em alta velocidade e ainda não são
capturados devido a geometria tubular do elétrodo.
Acelerados, os elétrons que passaram pelo primeiro e segundo ânodos
são agora manipulados eletronicamente num terceiro ânodo, o de ajuste de
foco, isto é, aquele que “afina” ou "alarga" o diâmetro do feixe tal
qual uma lente eletrônica cuja tensão gira em torno de + 300 V.
Observe-se que os ânodos são positivos, portanto, em cada atração os
elétrons ganham mais energia e são mais acelerados. Para facilitar a
passagem da corrente eletrônica e dificultar a captura dos elétrons, os
ânodos são cilíndricos.
Após passar pelos três primeiros ânodos, os elétrons ainda são
acelerados em direção a um quarto ânodo cuja diferença de potencial é em
torno de + 12.000 V também acelerando-os ainda mais.
Após passarem pelos ânodos, os elétrons são então desviados de suas
trajetórias por bobinas de deflexão horizontal e vertical(bobinas que
geram campo magnético) cuja função é executar a “varredura” para atingir
ao ecrã, e ao fazê-lo, ocorre a luminescência(o brilho ou
luminescência, que tem cor pré definida conforme o ponto da tela, ocorre
devido a mudança de estado energético dos átomos de fósforo depositados
sob o ecrã).
[editar] Aceleradores lineares
Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma
trajetória
reta onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças
de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao
longo da trajetória.
The w:CAST (axion observatory) experiment at w:CERN
Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.
Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um
tubo de
vácuo
cilíndrico, tipo
cavidade
ressonante, ou
guia de ondas
que dirige o campo acelerador. Existe também um
amplificador
de potência de vários megawatts que excita as câmaras aceleradoras
sucessivas e seqüenciais que forçam o deslocamento de uma
frente de onda progressiva no guia de ondas, esta uma vez
sincronizada pelos dispositivos aceleradores se desloca cada vez com
maior
velocidade até chegar ao fim do tubo. O que
assegura a sincronização é a velocidade de fase da onda progressiva que
acaba por se igualar à velocidade dos elétrons.
De todos os sistemas de aceleração de partículas, este é o mais
antigo, porém só foi possível seu desenvolvimento integral a partir de
meados da
Segunda Guerra Mundial, esta espera
ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a
tecnologia necessitou se desenvolver para a produção do equipamento. Não
existia naquela época a técnica de conformação de ondas pelo uso da
radiofreqüência em guias
de onda. Tão logo ocorreu o desenvolvimento de dispositivos para tal
durante a guerra foi possível a produção de
reações nucleares.
Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons,
gerando uma barreira para sua excitação através de uma guia por ondas
progressivas que tenham velocidade de fase igual à sua velocidade de
avanço. Os prótons cuja energia é de quatro megavolts têm cerca de dez
por cento da
velocidade da luz, esta velocidade causa
efeitos relativísticos. Estes impossibilitam o uso da técnica de guia de
ondas da mesma forma que se usa para elétrons. Logo os aceleradores de
ondas estacionárias são usados somente como injetores de prótons para
aceleradores cíclicos de grande energia que possuem dispositivos para
detectar e corrigir as distorções ocasionadas pelos efeitos
relativísticos.
No Brasil, o desenvolvimento de aceleradores lineares se deve ao
conhecimento e capacidade do Prof. Argus Moreira e sua equipe que
projetou e construiu quatro máquinas no Centro Brasileiro de Pesquisas
Fisicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses
aceleradores ajudam na formação de fisicos, engenheiros e técnicos e o
desenvolvimento de novas técnicas cientificas.
[editar] Aceleradores
cíclicos
Além dos aceleradores lineares existem os aceleradores cíclicos.
Estes são construídos para promover a trajetória curvada das partículas
pela ação dos campos magnéticos em espiral ou circular.
Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes
pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da
amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que
estas dão no dispositivo. Os tipos de aceleradores cíclicos mais
utilizados são o
cíclotron e o
síncrotron.
O cíclotron possui dois eletrodos com a forma de um
D, estes
são ocos e semicirculares. Sua montagem é numa câmara de vácuo entre os
pólos de um
eletromagneto. Os prótons,
dêuterons (núcleo de um átomo de
deutério,
constituído por um próton e um
nêutron)
ou outros
íons
de maior massa começam a se locomover no interior dos eletrodos em
forma de
D. Neste momento é injetada uma diferença de potencial
alternada de
alta freqüência
e
potência
nos
eletrodos
cuja freqüência é próxima à da circulação iônica, produzindo assim
saltos de aumento de velocidade cada vez que estes passam de um
eletrodo
para o outro subseqüente. O que ocorre com as partículas neste momento,
é uma trajetória em forma hipóide ou de semicírculos cujos raios são
crescentes havendo então uma perda do foco do feixe. É necessário então
um sistema de "focalização" para forçar os íons numa trajetória pré
determinada, evitando assim a perda iônica por espiralamento. Causando
uma re-
polarização forçada através da variação radial
negativa do
campo magnético, haverá sobre a partícula
uma pequena componente perpendicular ao plano do movimento de
aceleração. Este efeito manterá a trajetória da partícula estável não
permitindo a perda desta para fora do acelerador. Essa componente de
correção é primordial, pois a trajetória total da partícula muitas vezes
chega a centenas de metros e, conforme o caso, milhares.
A correção de trajetória pela focalização do
feixe iônico
somado ao
efeito
relativístico causa um aumento de
massa nas
partículas, pois é sabido que ao se aumentar sua energia acaba havendo o
surgimento de uma diferença entre a freqüência de oscilação do
potencial acelerador e a freqüência de circulação da partícula num
segmento da sua trajetória. Este efeito gera um erro inflacionário, que
aumenta a cada volta, limitando assim a energia máxima da partícula.
[editar] Sincrocíclotron
Para resolver este problema do erro exponencial, ou inflacionário, é
necessário variar a freqüência aplicada aos eletrodos em forma de
D,
assim pode-se alterar a focalização iônica através da variação dos
campos magnéticos sobre as partículas. Para tal, foi desenvolvido um
equipamento chamado
sincrocíclotron cuja construção foi possível
porque existem órbitas estáveis onde a freqüência de revolução é igual à
freqüência da diferença de potencial aplicada aos eletrodos.
Neste sistema, quando é diminuída a freqüência de oscilação, as
partículas têm uma afinidade à sua órbita tendendo então em permanecer
nesta, pois absorvem energia dos campos elétricos dos eletrodos. Ao se
manter a estabilidade de sincronismo, as partículas acabam ganhando
energia e tendem a se movimentar em órbitas cujos raios são crescentes
até a órbita máxima permitida pelo projeto do
eletromagneto. O sincrocíclotron praticamente
não tem limites no número de revoluções necessárias para a obtenção de
uma dada energia.
[editar] Síncrotrons
-
Detector ATLAS sendo montado em CERN
O desenvolvimento dos síncrotrons foi necessário para melhorar as
soluções de aceleração de partículas cujas trajetórias são de raios
fixos. Estes, da mesma forma que os cíclotrons, aceleram as partículas
eletricamente e as confinam em campos magnéticos. A diferença é que o
síncrotron utiliza o princípio da estabilidade de fase, mantendo desta
forma o sincronismo entre
campo elétrico aplicado e a
freqüência de revolução da partícula.
O funcionamento se dá através de um
campo magnético que causa a deflexão da partícula para
uma
órbita
circular, e cuja
intensidade do campo
é modulada de forma cíclica, mantendo assim órbitas cujo raio é
bastante estável e constante, apesar do ganho de energia e massa
conseqüentemente. Uma vez que se usa o campo magnético para manter a
órbita ao invés de acelerá-la, as linhas de campo magnético só são
necessárias na região anular que é definida pela órbita. O campo é
gerado por um eletromagneto anular.
Os síncrotrons de prótons são os aceleradores de partículas que
atingem a maior energia chegando a 800 GeV, enquanto o síncrotron de
elétrons alcança no máximo 12 GeV. A velocidade do próton só chega
próxima da velocidade da luz no vácuo com uma energia acima de 1 GeV. O
próton acelerado não perde energia por radiação, ou se perde é muito
pouco. Os elétrons adquirem uma velocidade muito alta a energias
relativamente baixas, e quando defletidos por campos magnéticos irradiam
energia eletromagnética próxima do comprimento de onda dos
raios X.
Essa energia irradiada precisa ser reposta pelo sistema acelerador.
[editar] Câmaras de
vácuo anulares
Existem outros equipamentos que são usados para acelerar partículas.
Praticamente consistem num par de câmaras de vácuo em forma anular. O
sistema é utilizado para armazenar feixes de partículas altamente
energéticas e provocar colisões frontais entre eles. As altas energias
obtidas a partir destas colisões permitem o estudo das interações entre
as partículas fundamentais da
matéria
e da
energia.
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Venda do tablet foi proibida na semana passada por copiar
parte do design do iPad