Ciclotrón

Los aceleradores de partículas tienen la finalidad, como su pripio nombre indica, de acelerar las partículas, conferirles energía hasta un valor determinado. En esencia, tanto los modernos y más grandes aceleradores de partículas -como el famoso CERN en Ginebra- como los modelos más antiguos -el acelerador lineal de Walton de 1932, con el que se produjo la primera reacción nuclear artificial- consiguen suministrar energía a las partículas mediante la aplicación de campos eléctricos que aceleran las cargas; en muy grandes líneas, de un modo parecido a la aceleración que experimentan los cuerpos en caída libre por acción del campo gravitatorio. Acelerar partículas, aumentar su energía, ofrece múltiples aplicaciones científicas, como por ejemplo la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, el estudio de estructuras microscópicas -los aceleradores como gigantescos microscopios- , e industriales. Pero también encuentra aplicación médica en el tratamiento de tumores, en los que las partículas aceleradas con las que se bombardean depositan con buena precisión toda su energía destruyendo las células tumorales.

El ciclotrón -sobre estas líneas-, uno de tantos tipos de aceleradores, es habitualmente usado con este último fin y también ha sido utilizado en la investigación nuclear. Consiste en dos piezas con forma de D, enfrentadas y sepadaras una determinada distancia, que se sitúan entre dos imanes gigantescos, tal y como muestra la siguiente figura

Las Ds se hallan conectadas a terminales diferentes de una fuente de corriente alterna, lo que supone la aparición de un campo eléctrico en el espacio entre las Ds de orientación periódicamente variable. Para comprender su funcionamiento seguiremos la trayectoria de una partícula cargada desde su posición inicial hasta el blanco -target. Bajo estas líneas, una vista en planta y de perfil:

Las partículas que se desean acelerar son inyectadas en el centro del círculo que las Ds completan, en un punto del intersticio equidistante de sus caras enfrentadas. Dado que existe un campo eléctrico entre las Ds, las partículas son aceleradas -por ejemplo- hacia la D superior, como si la D superior las atrajera y la D inferior las repeliera. Su trayectoria se curva por la acción del campo magnético que aparece entre los imanes que emparedan las Ds -véase en la figura superior el dibujo de la derecha- que por añadidura restringe la circulación de las partículas al plano de las Ds. Así pues, debido a esta curvatura, la partícula que penetra en la D superior regresa al intersticio, donde para ser acelerada de nuevo debe ser atraída ahora por la D inferior y repelida por la D superior, en contra de lo que inicialmente sucede. Para que una segunda aceleración tenga lugar tal y como se ha explicado, el sentido del campo ha de cambiar, de ahí que la fuente de alimentación haya de ser de corriente alterna: ésta se ocupa de conmutar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula va a realizar el salto de una D a otra. Una vez ha penetrado en la D inferior, de nuevo su trayectoria se curva por la acción del campo magnético. Como el radio de las trayectorias circulares es proporcional a la velocidad de las partículas, en la D inferior -donde la partícula ha penetrado con más velocidad que con la que penetra por primera vez en la D superior- el radio de la trayectoria es mayor, y cada vez que realiza un salto -cada vez que gana velocidad- el radio se va haciendo mayor, de ahí que la trayectoria sea espiral saliente.

Así pues, las partículas pasan de una D a la otra acelerándose en el intersticio de manera continua gracias a la acción sincronizada de la fuente de alimentación, aumentando su radio de curvatura y describiendo una trayectoria espiral saliente hasta que son expulsados del aparato y proyectados hacia el blanco que se desea bombardear.

Una de las limitaciones de los ciclotrones viene impuesta por la fuente de alimentación. Ésta, como hemos señalado, ha de cambiar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula vaya a saltar de una a otra. Dado que las partículas describen trayectorias cada vez más abiertas y recorren más espacio, aunque viajen más rápido, el tiempo que tardan en pasar de una D a otra se mantiene constante, de manera que se puede fijar la frecuencia con que la fuente cambia su polaridad. Sin embargo, cuando las partículas adquieren energías muy altas, los efectos relativistas dan al traste con esta sincronización y se ha de modificar el diseño si se desea que alcancen dichas energías. De lo contrario, esto supone una limitación en la energía máxima que las partículas pueden adquirir; sin embargo, es suficiente para fines como la investigación nuclear y el tratamiento de tumores.