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Acelerador de partículas


 Bioquímica

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.