¿Qué es un ciclotrón?

Un ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas que utiliza un campo magnético constante y campos eléctricos alternos para acelerar una partícula en un movimiento en espiral. Estos tipos de aceleradores de partículas se encontraban entre los primeros diseñados y tienen varias ventajas sobre los primeros aceleradores lineales, como los requisitos de menor tamaño. Si bien los avances tecnológicos han hecho posibles tipos más complejos de aceleradores de partículas, todavía existen algunos usos para los ciclotrones en varios campos diferentes. Un ciclotrón aún puede usarse en la experimentación física, especialmente como una parte temprana de un acelerador de etapas múltiples.

Desarrollado en 1932, un ciclotrón es un acelerador de partículas que usa movimiento circular, típicamente en una espiral de crecimiento hacia afuera, para acelerar las partículas para varios usos diferentes. La aceleración de partículas generalmente requiere una distancia bastante grande para permitir que las partículas alcancen la velocidad suficiente para su uso en experimentos. Sin embargo, el diseño de un ciclotrón permite que los aceleradores más pequeños se utilicen con gran efecto, ya que la partícula se mueve en un movimiento circular y recorre una gran distancia sin requerir un pasillo largo y recto para el paso.

Un ciclotrón funciona básicamente utilizando un par de electrodos de alta potencia, cada uno con forma de "D" con los lados planos uno hacia el otro, para crear una forma circular completa. Comenzando en el centro del círculo, una partícula comienza a alejarse del centro, pero al usar la atracción y la repulsión, en su lugar, se tira en un movimiento circular. Los diodos alternan la carga entre ellos, de modo que la partícula se acelera hacia uno, luego se curva a medida que la empuja y la atrae hacia el otro, luego continúa el patrón entre los dos electrodos. Esto crearía un movimiento circular perfecto si se deja solo, pero se crea un campo magnético entre los dos diodos, que es perpendicular al movimiento circular de la partícula.

Este campo magnético cambia ligeramente el movimiento de la partícula, por lo que cada vez que pasa entre los dos electrodos se aleja un poco del centro del círculo. Al mover la partícula ligeramente hacia afuera, el camino que toma durante la aceleración se convierte en una espiral de crecimiento hacia afuera en lugar de un círculo. Esto permite que la partícula finalmente golpee un área objetivo en el interior de la unidad de contención, donde luego puede ser redirigida para su posterior estudio o uso.

Uno de los principales inconvenientes de un ciclotrón es que el área objetivo solo se puede usar para una partícula que viaja a velocidades que se pueden calcular adecuadamente utilizando la física newtoniana. Las velocidades más altas causarían efectos relativistas y el objetivo no se alcanzaría correctamente, lo que significa que un ciclotrón no puede producir los niveles de aceleración que los aceleradores lineales más nuevos pueden. Sin embargo, se han desarrollado ciclotrones isócronos que pueden compensar los cambios relativistas de la partícula y pueden ser bastante efectivos.