El electromagnetismo e imanes en los aceleradores.

El movimiento de partículas cargadas, como lo son los protones y electrones utilizados en aceleradores, genera un campo magnético, y de la misma manera, un campo magnético repercute en la trayectoria de dichas partículas. De modo que, al igual que la corriente de una pila a través de un cable sobre una brújula alinea la aguja, siendo el prototipo de electroimán más sencillo que podemos construir, las partículas son desviadas y guiadas a través de los aceleradores mediante los electroimanes más potentes.

Los físicos de partículas han aprovechado el electromagnetismo para explorar los orígenes de nuestro universo controlando los haces de partículas en los aceleradores, haciéndolos colisionar contra otro haz o un blanco y produciendo aún más partículas para el estudio científico.

Al pasar una corriente eléctrica a través de un cable en espiral, se produce un imán temporal con polo norte y sur. Se pueden construir no solo electroimanes de dos polos, sino imanes con cuatro, seis o incluso más polos. Estos imanes utilizados en aceleradores de partículas pueden llegar a pesar toneladas y están a la vanguardia en cuanto al campo magnético que generan.

Una muestra de los diferentes componentes magnéticos en un acelerador (el sincrotrón de luz ALBA), en rojo un dipolomagnético, un sextupolo en amarillo y un cuadrupolo en azul.

Los dipolos son usados para curvar la trayectoria de los haces de partículas cargadas, a mayor campo magnético (potencia eléctrica) se obtiene una curva más cerrada, estos dipolos son los utilizados entre otras cosas, en los aceleradores circulares para que las partículas sigan la curva del anillo. Este efecto de curva tiene un coste energético en forma de radiación sincrotrón.

Los cuadrupolos se encargan de mantener el haz de partículas compacto, haciendo frente a la dispersión de las partículas y haciendo frente a la deformación que ocurre en los dipolos. Sin cuadrupolos, las partículas acabarían estrellándose contra los tubos de vacío por los que circulan.  

Así como los imanes dipolos pueden curvar trayectorias de los haces pero no pueden mantenerlos enfocados, los cuadrupolos pueden enfocar partículas, pero no todas en el mismo sitio. Para resolver este problema están los sextupolos, las partículas que son enfocadas por los cuadrupolos son desviadas a lugares diferentes dependiendo de la energía que tengan, pero por desgracia, las partículas en los paquetes de los haces no comparten la misma energía. Cuanto mayor es la energía de la partícula, menos afectada se ve esta por el cuadrupolo magnético.

Enfoque de diferentes partículas mediante cuadrupolo magnético en ausencia de sextupolo (arriba), con sextupolo (abajo).

Este fenómeno tiene su analogía en la óptica, la 'aberración cromática' sucede cuando una lente falla al enfocar todos los colores en el mismo punto y la imagen se ve distorsionada, este efecto es causado por la dispersión. El índice refractivo de la lente varía con la longitud de onda de la luz y en consecuencia, los diferentes colores se ven desviados a diferentes puntos. La dispersión de los colores (diferentes longitudes de onda) sería la dispersión de diferentes partículas (con diferentes energías), el análogo de la lente que se utiliza para corregir la aberración cromática en óptica, sería un sextupolo en un acelerador. 

Más información aquí.

 

 

Las actividades de INDUCIENCIA están financiadas por la Agencia Estatal de Investigación. 

 

EVENTOS

Agosto 2020
L M X J V S D
27 28 29 30 31 1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30
31 1 2 3 4 5 6

Las actividades de INDUCIENCIA están financiadas por la Agencia Estatal de Investigación.

Miembro del grupo interplataformas de economía circular