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.