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O acelerador de partículas do Instituto Weizmann da Ciência em Rehovot, Israel.

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 grande energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa.

Exemplos comuns de aceleradores de partículas são os televisores de projeção traseira e os equipamentos geradores de raios X. Aceleradores também são usados na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncer, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.^[1][2]

Partículas estudadas |

Além das partículas mais básicas, elétrons, prótons e nêutrons, outras também podem ser detectadas e aceleradas. Por exemplo: existe a possibilidade de se acelerar partículas compostas, ou seja, partículas alfa, que são constituídas por dois prótons e dois nêutrons.^[3]

Tipos de aceleradores |

Acelerador de partículas fabricado pela Philips-Eindhoven em 1937 para pesquisa.

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.^[2]

Tubos de raios catódicos |

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 uma 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).^[3][2]

Aceleradores lineares |

Ver artigo principal: Acelerador linear

Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória retilínea 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.
Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.^[4][5]

• O primeiro sistema é usado para elétrons e utiliza uma onda eletromagnética caminhante. O campo elétrico dessa onda fica orientado no sentido longitudinal, e fornece a energia cinética para os elétrons.

Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um tubo de vácuo cilíndrico, formando um guia de ondas que direciona o campo acelerador. Existe também um amplificador de potência de radiofrequência (RF), (tipicamente uma válvula klystron) de vários megawatts que excita a câmara aceleradora com a onda eletromagnética. Para que ocorra a aceleração, é preciso assegurar a sincronização dos elétrons com a velocidade de fase da onda.

O desenvolvimento integral deste sistema de aceleração ocorreu a partir de meados da Segunda Guerra Mundial, esta espera ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a tecnologia de RF necessitou se desenvolver para a produção do equipamento.

• O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas podem acelerar prótons, íons ou elétrons.

Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons, portanto não conseguem atingir rapidamente a velocidade de fase de uma onda caminhante impossibilitando o sincronismo com a mesma.

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 Físicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses aceleradores ajudam na formação de físicos, engenheiros e técnicos e o desenvolvimento de novas técnicas científicas.^[2]

Aceleradores eletrostáticos |

Ver artigo principal: Acelerador eletrostático

Um acelerador eletrostático é um tipo de acelerador de partículas no qual partículas carregadas (elétrons, prótons ou íons) ganham energia cinética por meio de um campo elétrico produzido por uma grande diferença de potencial (alta tensão).

Este acelerador é normalmente identificado pelo tipo de gerador de alta tensão utilizado. A alta tensão pode ser gerada retificando-se uma tensão alternada (gerador Cockcroft-Walton), ou usando-se um sistema mecânico para o transporte de carga eletrostática até o terminal de alta tensão (gerador Van de Graaff).^[6]

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.^[2]

Cíclotron |

Ver artigo principal: Cíclotron

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 polos 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 frequência e potência nos eletrodos cuja frequência é próxima à da circulação iônica, produzindo assim saltos de aumento de velocidade cada vez que estes passam de um eletrodo para o outro subsequente. O que ocorre com as partículas neste momento, é uma trajetória em forma hipoide 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 repolarização 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 frequência de oscilação do potencial acelerador e a frequência 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.^[2]

Sincrocíclotron |

Ver artigo principal: Sincrocíclotron

Para resolver este problema do erro exponencial, ou inflacionário, é necessário variar a frequência 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 frequência de revolução é igual à frequência da diferença de potencial aplicada aos eletrodos. A patente do sincrocíclotron foi concedida a Edwin McMillan em 1952.^[7]

Neste sistema, quando é diminuída a frequência 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.

Síncrotrons |

Ver artigo principal: Síncrotron

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 o campo elétrico aplicado e a frequência 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 consequentemente. 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, um dos únicos aceleradores 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.^[2]

Mícrotron |

Ver artigo principal: Mícrotron

O mícrotron é um acelerador de elétrons que utiliza cavidades ressonantes como elementos de aceleração. As cavidades são alimentadas com ondas eletromagnéticas de frequência fixa, tipicamente na região de micro-ondas. Trata-se de um acelerador recirculado, ou seja, os elétrons são guiados por campos magnéticos e descrevem várias órbitas. A cada órbita os elétrons passam pelas mesmas cavidades ressonantes, ganhando mais energia a cada passagem. O mícrotron clássico foi inventado por Vladimir Veksler, em 1944.^[8]

Betatron |

Ver artigo principal: Betatron

O betatron é um acelerador de elétrons cíclico. Foi desenvolvido por Donald Kerst na Universidade de Illinois em 1940.^[9][10]
O betatron é essencialmente um transformador elétrico, que possui como enrolamento secundário, uma câmara de vácuo de formato toroidal. É nesta câmara que os elétrons são injetados e acelerados. Ele recebeu este nome pelo fato das partículas beta serem elétrons de alta energia.

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.

Os maiores equipamentos |

Os maiores e mais poderosos aceleradores, como o LHC, lançado no dia 10 de setembro de 2008 e o Tevatron, são usados para física experimental na pesquisa básica das interações fundamentais.^[2] Em janeiro de 2019, CERN anunciou a intenção de construir um acelerador de partículas ainda maior, medindo cerca de 100 km, a um custo estimado de 21 bilhões de euros.^[11][12]

Ver também |

• Física de altas energias


• Física de partículas

Referências

Ligações externas |

• Faça um Tour pelo CERN


• Projeto Sírius

• Portal da física