Los aceleradores de partículas producen y aceleran haces de partículas cargadas, tales como electrones, protones e iones, de tamaño atómico y subatómico. Se utilizan no solo en la investigación básica para entender mejor la materia, sino también en un sinfín de aplicaciones socioeconómicas relacionadas con los campos de la salud, la monitorización radiológica del medio ambiente, la calidad de los alimentos, las tecnologías aeroespaciales y para la producción de energía, entre otros.
Los aceleradores de partículas pueden ser lineales (rectos) o circulares, y su tamaño varía: pueden tener decenas de kilómetros de longitud o caber en una habitación pequeña. Todos ellos, sin embargo, constan de los siguientes cuatro componentes principales:
1. una fuente que produce las partículas cargadas;
2. un dispositivo compuesto que carga las partículas de energía y las acelera aplicando un campo eléctrico estático u oscilante;
3. una serie de tubos metálicos en los que se han aplicado tecnologías de vacío para que las partículas se muevan libremente sin colisionar con moléculas de aire o polvo, lo cual podría disipar el haz, y
4. un sistema de electroimanes que dirigen y centran los haces de partículas o que cambian la trayectoria de estos antes de que sean bombardeados en la muestra que sirve de blanco.
Usos de los haces de partículas
SALUD
Los haces se utilizan para esterilizar equipo médico y producir los radioisótopos necesarios para sintetizar los radiofármacos que se usarán en el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Los aceleradores de grandes dimensiones pueden destruir células cancerosas, desvelar la estructura de proteínas y virus y perfeccionar vacunas y nuevos fármacos.
INVESTIGACIÓN
Algunos aceleradores, los más grandes, se utilizan para hacer que las partículas subnucleares colisionen a fin de ampliar nuestro conocimiento del universo. Algunos de estos aceleradores también se usan para producir neutrones.
MEDIO AMBIENTE
Los haces de protones pueden emplearse para detectar oligoelementos químicos presentes en el aire, el agua o el suelo. Por ejemplo, pueden mostrar la tasa de concentración y la composición de distintos contaminantes, y ofrecer una indicación clara de la calidad del aire.
INDUSTRIA
Los haces pueden interactuar con los átomos de un material que sirve de blanco, por ejemplo, para hacer que este material sea más duradero.
Tipos de aceleradores de partículas
IMPLANTADORES IÓNICOS
Estos aceleradores se usan ampliamente en la industria para, por ejemplo, lograr que los materiales sean más resistentes a los daños debidos al uso y el desgaste. Existen en todo el mundo unos 12 000 implantadores iónicos que ayudan a fabricar semiconductores para teléfonos inteligentes y paneles solares, así como para endurecer acabados de metal, cerámica o vidrio. Los implantadores iónicos pueden, además, mejorar la fiabilidad de los materiales utilizados en los implantes de uso médico.
ACELERADORES DE HACES DE ELECTRONES
Hay casi 10 000 aceleradores de haz de electrones en funcionamiento en todo el mundo. Pueden, por ejemplo, ayudar a que los materiales sean más duraderos en temperaturas extremas o resistentes a los productos químicos. Los haces de electrones también se utilizan para esterilizar productos médicos y alimentos, y para desinfectar las aguas residuales. Se utilizan ampliamente en las industrias automotriz y aeroespacial, para la construcción de máquinas y por los fabricantes de productos médicos.
LINAC
Los aceleradores lineales (o linac) pueden tener una longitud de unos pocos metros o de varios kilómetros. Muchos de ellos se usan en la investigación científica. Los aceleradores lineales instalados en los hospitales emiten rayos X que se dirigen a las células tumorales para destruirlas. En todo el mundo, hay unos 1000 aceleradores lineales de uso médico en funcionamiento.
CICLOTRONES
Los más de 1200 ciclotrones existentes en todo el mundo crean haces de protones o de deuterones para usos médicos. Producen los radioisótopos que se utilizan en imagenología médica para el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Muchos ciclotrones se encuentran en hospitales y su finalidad es producir radiofármacos a partir de radioisótopos de periodo corto.
SINCROTRONES
Los sincrotrones, de los que hay más de 70 en todo el mundo, son los aceleradores de partículas de mayores dimensiones. Se utilizan para la investigación científica y nos ayudan a entender las leyes fundamentales del universo. Los científicos usan los sincrotrones para llevar a cabo estudios en las esferas de la química, la biomedicina, el patrimonio natural y cultural, el medio ambiente y muchas otras.
ACELERADORES ELECTROESTÁTICOS
Estos aceleradores, en particular los aceleradores tándem, son menos costosos, y los científicos los usan para investigar las propiedades de los materiales, monitorizar el medio ambiente, prestar apoyo a investigaciones en el campo de la biomedicina o estudiar objetos del patrimonio cultural, entre otras cosas. Actualmente existen 300 máquinas de estas características en todo el mundo, y los expertos prevén que este número aumente en los próximos años [1].
El ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas ideado en 1931 por Ernest O. Lawrence y M. Stanley Livingstone, en la Universidad de Berkley (California), como acelerador de partículas cargadas. El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos, Lawrence y Livingstone idearon el ciclotrón que evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.
Los aceleradores de mayor potencia que se construyen actualmente son muy costosos, invirtiéndose más de la mitad de los gastos en la construcción de grandiosos imanes para aceleradores: son los imanes más grandes y costosos del mundo. Son los elementos imprescindibles de la mayoría de los aceleradores de partículas cargadas (ciclotrones). Y aunque el campo magnético en los aceleradores no supera los 15-17 mil Oe, los aceleradores ostentan los récords dentro de las máquinas más grandes que se utilizan en las investigaciones físicas y en la técnica.
Un ciclotrón es básicamente una cámara cilíndrica de alto vacío en la que mediante un campo magnético paralelo al eje del cilindro y un sistema de radiofrecuencia para generar un campo eléctrico alternante, es posible acelerar a energías muy elevadas (~10 MeV) partículas elementales (como protones y deuterones) producidas mediante una fuente de iones situada en el centro de la cavidad. Estas partículas se hacen chocar con los blancos, en los que tienen lugar reacciones nucleares que llevan a la obtención de los isótopos emisores de positrones, que serán finalmente utilizados para sintetizar los diferentes radiofármacos. Existen una gran variedad de ellos dependiendo de la potencia (intensidad del haz), la energía hasta la cual se pueden acelerar las partículas-proyectil, los blancos a utilizar, etc.
Los principales componentes y sistemas de un ciclotrón son:
El imán
Normalmente de tipo resistivo. Un polo sobre las “D” (Norte) y otro debajo (Sur), generando un campo magnético, perpendicular a la partícula y uniforme, para confinar el haz de partículas. A medida que ganan energía el campo les obliga a describir una trayectoria espiral creciente.
Electrodos huecos
Tienen forma de “D”, se encuentran ligeramente separados y están conectados a un oscilador de alto voltaje. Alternando la carga positiva y negativa a estas “des” conseguimos acelerar la partícula.
La fuente de iones
Está formada por cátodos para la producción de protones y deuterones. Estos iones son insertados radialmente en la zona central del imán.
Sistema de extracción del haz
Se encarga de dirigir el haz de iones hacia el blanco utilizando una placa con voltaje negativo una vez que las partículas han llegado al borde externo de las D.
Blancos
Es el lugar donde las partículas impactan.
Detectores
Registran la emisión de energía de la sustancia radiactiva, el tipo de partícula, así como los niveles de radiactividad.
Sistema de vacío
Su finalidad es la de evitar que los iones acelerados colisionen con átomos de gases residuales, con el fin de evitar la creación de neutrones que dejarían de ser acelerados.
Sistema de refrigeración
Su finalidad es controlar y mantener la temperatura correcta, así como llevar a cabo la desionización del agua utilizada para dicha función.
El ciclotrón es usado en el mundo en la Producción de Radioisótopos necesarios para aplicaciones clínicas en tomógrafos por emisión de positrones (PET). Es también objetivo del ciclotrón el desarrollo de otros radioisótopos y aplicaciones propias de la tecnología de aceleradores en el ámbito de la investigación básica y aplicada.
Los ciclotrones se clasifican en función del tipo de partícula utilizada (positiva o negativa) o bien en función de la energía a la que éstas pueden ser aceleradas. La utilización de los ciclotrones PET actuales es muy sencilla, puesto que son sistemas muy automatizados. Aunque se pueden manejar de forma manual (con lo que se pueden controlar todos los parámetros de funcionamiento) lo habitual es fijar únicamente la corriente requerida en el blanco, que va a condicionar la actividad que se obtendrá.
La tomografía de emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography) es una técnica de diagnóstico clínico no-invasivo que permite la imagen funcional “in vivo” del metabolismo celular. Su importancia en especialidades como la Oncología, Neurología o Cardiología está bien avalada por la literatura científica donde gran cantidad de datos sugieren que la PET es superior a las técnicas convencionales de imagen (TAC y RM) en determinadas situaciones clínicas. La PET permite obtener imágenes usando compuestos biológicamente activos, sustratos, ligandos o fármacos marcados con emisores de positrones. Estos agentes marcados se administran normalmente vía intravenosa, distribuyéndose según el flujo sanguíneo y siendo asimila-dos independientemente de su carácter radiactivo.
Los positrones se forman durante la desintegración radiactiva de un núcleo que tiene un número excesivo de protones para alcanzar la estabilidad nuclear. Tras sucesivas colisiones, el positrón pierde su energía y cuando está prácticamente en reposo se combina (aniquila) con un electrón orbital convirtiéndose la masa de ambas partículas (electrón y positrón en reposo) en energía generándose de dos fotones de 511 KeV cada uno, los cuales serán emitidos simultáneamente y en sentidos opuestos, pudiendo salir del organismo y ser detectados en el exterior.
Los radionucleidos emisores de positrones son isótopos de elementos comunes en el organismo y, en consecuencia, los más apropiados para marcar moléculas y realizar estudios in vivo [2].
Referencias
[1] https://www.iaea.org/es/bulletin/que-son-los-aceleradores-de-particulas
[2] https://mdnuclear.blogspot.com/2016/06/ciclotron.html
