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Acelerador de partículas
Conjunto de
equipamentos e dispositivos para imprimir alta velocidade a partículas
subatômicas, por processos elétricos ou eletromagnéticos.
O estudo das partículas elementares que constituem o núcleo atômico ganhou
novo impulso com o uso do acelerador de partículas, máquina desenvolvida a
partir de 1927, com base nas pesquisas do físico americano Ernest Orland
Lawrence.
Acelerador de partículas é um dispositivo que eleva a energia das partículas
subatômicas, de valores sumamente baixos até valores que se situam entre
alguns milhões e vários bilhões de elétrons-volt. São aplicados na pesquisa
básica das interações fundamentais, na terapia do câncer, na produção de
isótopos radioativos, na radiografia industrial e na polimerização de
plásticos.
O primeiro acelerador de partículas foi construído na Universidade de
Cambridge, Inglaterra, pelos físicos ingleses J. D. Cockcroft e E. T. S.
Walton, que obtiveram a primeira reação nuclear induzida artificialmente. A
partir de então, a importância dos aceleradores na pesquisa básica tornou-se
comparável à dos microscópios e telescópios. Cockcroft e Walton ganharam o
Prêmio Nobel de física de 1951.
De acordo com a disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis
pela aceleração das partículas, os aceleradores são classificados em dois
tipos básicos: lineares e cíclicos.
Aceleradores lineares. Em um acelerador linear a partícula segue uma
trajetória reta e sua energia final é proporcional à soma das voltagens
geradas pelos mecanismos aceleradores dispostos ao longo da trajetória.
Existem dois tipos de aceleradores lineares. O primeiro utiliza um campo
magnético longitudinal móvel para fornecer energia cinética aos elétrons. A
câmara de aceleração é um tubo de vácuo cilíndrico que funciona como um guia
de ondas para o campo acelerador. As sucessivas seções aceleradoras são
excitadas por um amplificador de potência de vários megawatts. Uma onda
progressiva caminha no guia de ondas e, havendo sincronismo entre o movimento
dos elétrons e o da onda, acelera-os até o fim do tubo. O sincronismo é
assegurado quando a velocidade de fase da onda progressiva se iguala à
velocidade dos elétrons. A idéia desse tipo de aceleradores é a mais antiga
entre os tipos correntes, mas foi preciso aguardar o progresso da técnica da
radiofreqüência, ocorrido no curso da segunda guerra mundial, para a produção
de reações nucleares.
O segundo tipo de aceleradores lineares utiliza ondas eletromagnéticas
estacionárias para acelerar prótons. O próton tem massa aproximadamente duas
mil vezes maior que a dos elétrons, o que dificulta a excitação do guia por
ondas progressivas que tenham velocidade de fase igual à sua velocidade de
avanço. Prótons de quatro megavolts têm cerca de dez por cento da velocidade
da luz, o que já é suficiente para provocar efeitos relativísticos. Isso
impossibilita o uso da mesma técnica utilizada para os elétrons. Aceleradores
desse tipo são comumente usados como injetores de prótons em aceleradores
cíclicos de grande energia.
Aceleradores cíclicos
Os aceleradores cíclicos são assim chamados porque a trajetória da partícula é
curvada pela ação do campo magnético em uma espiral ou curva fechada
aproximadamente circular. A partícula passa várias vezes pelos mecanismos
aceleradores e a energia final depende da amplitude da voltagem aplicada e do
número de revoluções que a partícula executa. Os aceleradores cíclicos
compreendem uma grande variedade de aparelhos, dos quais os mais importantes
são o cíclotron e o síncrotron.
Cíclotrons
Em um cíclotron dois eletrodos semicirculares e ocos, em forma de "D", são
dispostos em uma câmara de vácuo entre os pólos de um magneto. Os prótons,
dêuterons ou outros íons mais pesados iniciam seu movimento no centro dos
"dês". Um potencial alternado, de freqüência próxima à de circulação dos íons,
é aplicado entre os eletrodos, produzindo acelerações repetidas cada vez que
os íons passam de um "D" para o outro. A trajetória resultante da partícula é
uma série de semicírculos de raio crescente. Faz-se necessário um sistema de
"focalização", para que os íons não se percam por espiralamento. Com uma
pequena variação radial negativa no campo magnético, a força sobre a partícula
terá uma pequena componente perpendicular ao plano do movimento, o que mantém
a partícula no acelerador cada vez que ela tenta escapar. Essa componente é
importante porque a trajetória total da partícula pode ser de centenas de
metros ou mais. A necessidade dessa "focalização", somada ao efeito
relativístico de aumento de massa das partículas, ao aumentar sua energia,
torna inevitável que surja uma diferença entre a freqüência de circulação da
partícula e a freqüência de oscilação do potencial acelerador em uma porção
considerável da trajetória. O efeito é cumulativo, aumentando a cada revolução
e limitando a energia máxima da partícula.
Para superar essa limitação de energia do cíclotron, projetou-se um aparelho,
o sincrocíclotron, que possibilita variar a freqüência aplicada aos "dês" de
acordo com as necessidades de focalização magnética e a variação relativística
da massa dos íons. Sua construção foi possibilitada pela existência de órbitas
estáveis em que a freqüência da revolução é igual à freqüência da voltagem
aplicada aos "dês". Se a freqüência de oscilação for diminuída, as partículas
tendem a permanecer nessas órbitas, absorvendo energia dos campos elétricos
dos "dês". Mantendo-se o sincronismo, as partículas ganham energia e
movimentam-se em órbitas de raios crescentes até a órbita máxima permitida
pelo desenho do magneto. Uma importante vantagem desse aparelho está em não
existir limite no número de revoluções necessárias para a obtenção de uma dada
energia.
A construção de cíclotrons de freqüência elevada envolve custos astronômicos.
Parte considerável desse custo deve-se à construção das peças polares do
eletroímã e de seu sistema de excitação, que requerem centenas de milhares de
toneladas de ferro, centenas de toneladas de tubos de cobre e um dispositivo
gerador de potências extremamente oneroso.
Síncrotrons. O caminho natural para a superação dessa dificuldade consistiu em
buscar uma solução que, envolvendo trajetórias de raios fixos, prescindissem
de peças polares maciças para a sustentação do mecanismo de aceleração. Os
aparelhos que seguiram esse caminho são conhecidos como síncrotrons. Tais
máquinas, como os cíclotrons, empregam uma combinação de aceleração elétrica e
confinamento magnético. O síncrotron utiliza o princípio de estabilidade de
fase para manter o sincronismo entre a freqüência de revolução de partícula e
o campo elétrico aplicado.
Um campo magnético deflete a partícula em uma órbita circular, e a intensidade
do campo é modulada ciclicamente para manter órbitas de raio quase constante,
apesar do ganho de energia. Como o campo magnético é usado para manter a
órbita e não para acelerá-la, as linhas do campo magnético só são necessárias
na região anular definida pela órbita. Esse campo é produzido por um magneto
anular. O pouco peso e baixo custo de tal magneto, comparados com os magnetos
de núcleo sólido dos cíclotrons, dão ao síncrotron uma economia significativa
na produção de partículas altamente energéticas.
Os aceleradores de partículas que atingem maior energia são síncrotrons de
prótons. Enquanto um síncrotron de elétrons alcança cerca de 12 GeV, um grande
acelerador de prótons opera regularmente a 800 GeV. O modo de produção de
ambos é similar, embora existam diferenças cruciais. A velocidade do próton
não se aproxima da velocidade da luz no vácuo, a menos que sua energia exceda
um gigaeletrovolt. Além disso o próton não perde uma quantidade significativa
de energia por radiação. Em conseqüência, o limite de energia de um síncrotron
de prótons é determinado pelo custo do magneto. Os elétrons, ao contrário,
adquirem alta velocidade a energias relativamente baixas, e quando defletidos
por campos magnéticos irradiam energia eletromagnética em um espectro contínuo
na região dos raios X. Essa energia irradiada deve ser reposta pelo sistema
acelerador.
Outros aparelhos são usados para acelerar partículas nos anéis de estocagem,
que consistem tipicamente em um par de câmaras de vácuo anulares. Esses anéis
são utilizados para armazenar feixes de partículas altamente energéticas e
provocar colisões frontais entre eles. As altas energias obtidas nessas
colisões permitem o estudo das interações entre as partículas fundamentais a
um custo relativamente baixo e economicamente viável.
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