Visita al Centro de Oncología y Radioterapia del Litoral - Parte II

Durante nuestra visita al Centro de Oncología y Radioterapia del Litoral, el técnico Erik Ibarra nos explicó el funcionamiento del acelerador lineal de partículas que allí funciona, con en cual se realizan tratamientos a diversas patologías.

Diagrama del dispositivo

El acelerador utiliza un ánodo y un cátodo, que generan una diferencia de potencial en una cámara de vacío. Se aplica un voltaje sobre el cátodo, que aumenta su temperatura y libera electrones debido al principio termoiónico. Estos electrones de aceleran hacia el ánodo debido a la diferencia de potencial, y colisionan con este. El ánodo debe estar compuesto por una sustancia de alto número atómico, como tungsteno o wolframio, para que la colisión provoque la liberación de rayos x, utilizados entonces para tratar a los pacientes. El impacto libera una gran cantidad de energía en forma de calor, por lo que se debe disponer de un sistema de enfriamiento. 

Diagrama del interior del "cañón"

Para alcanzar mayores velocidades al momento del impacto, el dispositivo posee el sistema de cavidades ya explicado en entradas anteriores, en el que se utilizan campos eléctricos generados por placas que pueden cambiar su carga. Así, los electrones alcanzan velocidades muy cercanas a la de la luz, y energías del orden de los mega electron-volt (MeV, 1eV es igual a la energía que posee un electrón al moverse por una diferencia de potencial de 1 volt). Es posible también utilizar un ánodo perforado, para que los electrones no colisionen sino que sean usados directamente en el tratamiento, dependiendo de la patología.

Imagen del dispositivo

Sala de control

El acelerador se encuentra dentro de una sala diseñada especialmente para que no escape radiación, con paredes gruesas y puertas dobles blindadas, y se controla desde una sala contigua, donde usando una computadora se puede seleccionar el tipo de dosis (electrones o rayos x), la energía a utilizar y la zona (forma y tamaño) del objetivo.

Agradecemos a Erik Ibarra por tomarse el tiempo de mostrarnos las instalaciones y explicarnos su funcionamiento.

Visita al Centro de Oncología y Radioterapia del Litoral

El pasado jueves 20 visitamos a Erik Ibarra, un radiologo de Salto que trabaja en el Centro de Oncología y Radioterapia del litoral. Donde trabaja con un acelerador lineal. El objetivo de nuestra visita fue informarnos sobre el funcionamiento del acelerador, los usos y como uno debe trabajar con él. Después de explicarnos el funcionamiento mediante unos dibujos que serán luego adjuntados, tuvimos la oportunidad de ver el aparato y hasta incluso luego verlo funcionando, igualmente no se puede contemplar lo que está pasando puesto que el haz de electrones no es visible para nuestros ojos.

Centro de Oncología y Radiología del Litoral, 19 de Abril 644, Salto

Acelerador lineal

Historia de los aceleradores - Parte II

¿Quién fue Ernest Lawrence?

Ernest Orlando Lawrence fue un químico nuclear estadounidense, el cual es conocido por su mayor invento, el ciclotrón. También fundo dos laboratorios de investigación nuclear llamados Berkeley y Livermore, los dos ubicados en Estados Unidos.

En el año 1939 Ernest Lawrence por todas sus investigaciones fue premiado con el premio nobel de la física.

¿Que es el ciclotrón? 

El ciclotrón, es un acelerador el cual funciona con dos pares de imanes en forma de "D", cada par forma un dipolo magnetico y ademas se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

El primer ciclotrón construido fue en la Universidad de California en 1929.

Historia de los aceleradores - Parte I

Los primeros aceleradores de partículas construidos surgieron de la necesidad del hombre de conocer el interior del núcleo. En 1930, John D. Cockcroft y Ernest Walton se basaban en la idea de que una partícula a altas velocidades podría superar la repulsión electromagnética y llegar a este. En un primer intento para comprobar esto, utilizaron un transformador de 500 kV para acelerar protones en un tubo de descarga, pero el experimento no tubo resultado. Su segundo intento fue más elaborado, utilizando una serie de capacitores y diodos para alcanzar una diferencia de potencial de 800 kV que aceleró protones en un tubo de 2.4 metros de longitud. Esta vez, el experimento fue un éxito, pues lograron desintegrar núcleos de Litio en pares de partículas alfa.

Acelerador de Cockroft-Walton

Una versión moderna del acelerador de Cockroft-Walton es utilizado hoy en día como preacelerador en el Fermilab, en Chicago, Estados Unidos de América.

Un año después, en 1931, Robert Van Der Graaff puso a prueba una idea en la que venía trabajando durante años. Utilizando cintas de materiales aislantes para cargar dos esferas con cargas opuestas, logró alcanzar voltajes de hasta 1.5 millones de volts entre ambas esferas, logrando descargas visibles entre estas. Este tipo de acelerador es conocido como "Acelerador de Van Der Graff". El voltaje máximo alcanzado depende del radio de las esferas, y Van Der Graaff llegó a planear la construcción de uno con esferas de 4.5 metros de diámetro.

Ejemplo de un Acelerado de Van Der Graaff

Para acelerar partículas a velocidades mayores se necesitaban voltajes mayores, una dificultad encontrada con la tecnología de la época. Se comenzaron a buscar alternativas que utilizaran bajos voltajes. A principios de los años 30', el físico Ernest Lawrence reúne un equipo en el Instituto Berkeley, para poner a prueba una idea propuesta por el físico Rolf Widerøe en una revista científica noruega, el primer concepto de un acelerador lineal (ya explicado en un post anterior), y su propia modificación a esa idea, que sería luego el primer ciclotrón.

Fuentes:

    - https://www.aip.org/history/exhibits/lawrence/epa.htm (en inglés)

    - http://vandergraafjj.blogspot.com.uy/ - Proyecto de Física sobre un acelerador (generador) de Van Der Graaff

Aceleradores de partículas en la vida cotidiana

Los aceleradores de partículas no se encuentran solamente en grandes laboratorios, también pueden ser encontrados en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, éstos son de baja energía.
Los televisores y los monitores de computadoras utilizan un tipo de acelerador de partículas llamado CRT (tubo de rayos catódicos), ya mencionado en publicaciones anteriores. Éste es considerado como un acelerador de particulas lineal.

Funcionamiento:

Está compuesto por un cátodo, un electrodo metálico con carga negativa, y uno o más ánodos (electrodos con carga positiva). El cátodo emite los electrones atraídos por el ánodo. El ánodo actúa como un acelerador y concentrador de los electrones, creando una corriente de electrones dirigida a la pantalla. Un campo magnético va guiando los electrones de derecha a izquierda y de arriba hacia abajo. Se crea con dos placas electrificadas X e Y (llamadas deflectores) que envían la corriente en dirección horizontal y vertical, respectivamente.

Otro ejemplo muy parecido al CRT es el tubo de rayos X que pueden encontrarse en los aparatos en clínicas dentales u hospitales.


Para más información sobre su funcionamiento se dejará al pie de la publicación un enlace.

Un ejemplo quizás más cotidiano aún son los tubos fluorescentes comunmente utilizados para iluminar habitaciones.



También podemos encontrar un acelerador de particulas en el magnetrón de los microondas.



Todos éstos aceleradores de particulas tienen un funcionamiento muy parecido y simple. Lo que los diferencia de los aceleradores de particulas más sofisticados como el LHC es que la energía que se le induce a un electrón de un CRT es cien millones de veces menor que la que se le induce a uno en el LHC.

http://www.ecured.cu/Tubo_de_rayos_cat%C3%B3dicos
http://www.fcs.uner.edu.ar/libros/archivos/ebooks/Otros/EquipoRx.pdf RAYOS X
http://edoapch.blogspot.com.uy/2011/11/aceladores-de-baja-energia.html

El Gran Colisionador de Hadrones

El Gran Colisionador de Hadrones, LHC por sus siglas en inglés, es un acelerador y colisionador lineal de partículas que se encuentra en las instalaciones de la Organización Europea de Investigación Nuclear, CERN por sus siglas en francés, cerca de Ginebra, Suiza.

El LHC fue diseñado y creado con el objetivo de comprobar si la teoría del Modelo Estándar de Partículas es correcta, y reconocer sus limites, a demás de la búsqueda de partículas teóricas como el ya confirmado Bosón de Higgs, los strangelets o el monopolo magnético, etc.

El LHC funciona como un acelerador lineal circular, acelerando protones a la velocidad de 99,9% de la luz y haciendo que se choquen entre si para que producir mucha energía, y con esto simular condiciones similares a las de los momentos que siguieron al Big Bang.

La forma de este acelerador es de una circunferencia de 27 km, convirtiendose en el acelerador mas grande del mundo, y en el trabajan físicos de un total de 34 países, llegando a un número de 2000 empleados en total.

Para hacer funcionar el LHC (es decir, acelerar las protones y hacerlos colisionar) se necesitan que campos magnéticos y eléctricos afecten a los protones hasta que estos lleguen a la velocidad antes mencionada. También cabe aclarar que para que los protones lleguen a chocarse se necesita que este no hayan otras partículas que se interpongan, por lo que se debe generar un vacío artificial. Después de producirse el choque se liberan grandes cantidades de energía, y se alcanzan temperaturas que superan a la del núcleo de Sol.

Fuentes:

•  https://home.cern/topics/large-hadron-collider (En inglés)
•  https://www.youtube.com/watch?v=vHeAufiAOno

¿Qué es un acelerador de partículas?

Una acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a velocidades muy altas, y así hacerlas impactar contra una pantalla u otras partículas y observar los resultados.

Sus aplicaciones varían, desde el Tubo de Rayos Catódicos por el cual un televisor antiguo produce una imagen, hasta el Gran Colisionador de Hadrones, un túnel de 27 km que acelera y hace impactar protones entre sí, con el objetivo de comprobar la validez del Modelo Estándar de la física de partículas.

Vista aérea de las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC en inglés) cerca de Ginebra, Suiza.

Hay dos tipos principales de aceleradores: lineales y ciclotrones.

Un acelerador de partículas lineal simple utiliza una zona donde existe una diferencia de potencial, generalmente un campo eléctrico generado por dos placas cargadas, para mover partículas cargadas de un punto a otro. Si se utiliza un tubo dividido por varias placas, y se cambia el sentido del campo cambiando el signo de la carga de cada placa, se alcanzan muy altas velocidades.

Utilizando varias placas e invirtiendo sus cargas se logran altas velocidades.

Una variación de los aceleradores lineales son los circulares, que utilizan campos magnéticos para alcanzar velocidades aún mayores, y presentan las ventaja de ser mas compactos.
Las limitaciones de los aceleradores lineales son las propias de la experimentación con campos magnéticos intensos, y la energía alcanzable es limitada.

Un ciclotrón acelera partículas utilizando un campo magnético perpendicular a dos mitades de discos huecos enfrentadas, insertando las partículas en el centro del círculo formado entre estos. Si existe una diferencia de potencial, y se cambia periódicamente la polaridad entre las dos placas, la partícula (afectada por ambos campos eléctrico y magnético) se moverá en espiral, alejándose cada vez mas del centro mientras se mueve entre las dos placas, a velocidades cada vez mayores. El funcionamiento de un ciclotrón se ve explicado mejor en el siguiente video, EN INGLÉS.

(https://youtu.be/cNnNM2ZqIsc)

El funcionamiento de los distintos tipos de acelerador y las diversas aplicaciones y ejemplos que se pueden encontrar en la vida cotidiana serán explicados en siguientes publicaciones.

Fuentes:

• Dr. E. Andrade, "Aceleradores de Partículas", Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México. (http://www.nucleares.unam.mx/~bijker/emfn/Andrade.pdf)

Más información:

• "Aceleradores de Partículas", Parte I, Consejo de Seguridad Nuclear, Madrid, España. (https://www.csn.es/images/stories/publicaciones/unitarias/informes_tecnicos/acelerador_particulas_ok.pdf)

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