Acelerador de partículas
Autor: Mister.X | Publicado: 2011-08-03T17:18:00-07:00

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.

Tipos de aceleradores   Acelerador de partículas fabricado pela Philips-Eindhoven em 1937 para a pesquisa e desenvolvimento de Bombas AO 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 linearesOs 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:CERNEstes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.
O primeiro sistema é o que utiliza a montagem de componentes que geram um campo magnético longitudinal móvel fornecendo assim energia cinética para os elétrons.
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.
O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas acabam por acelerar prótons.
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   Interior do túnel do LHC, no CERN.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.
[editar] CíclotronO 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] SincrocíclotronPara 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 CERNO 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.
   Fotografia panorâmica do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas, estado de São Paulo, o único acelerador de partículas do hemisfério sul.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 anularesExistem 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.