Acelerador de particulas con modelamiento en Matlab

ACELERADOR DE PARTICULAS CON MODELAMIENTO EN MATLAB

PARTICLE ACCELERATOR WITH MODELING IN MATLAB

Juan Diego Troya Apolo[pic 1]

Bachiller General, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Investigador/Grupo 6/Ingeniería Mecánica, Loja, Ecuador, juan.gualotunia@espoch.edu.ec

Juan Carlos Gualotuña Topón[pic 2]

Bachiller Técnico Industrial, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Investigador/Grupo 6/Ingeniería Mecánica, Sangolquí, Ecuador, juan.gualotunia@espoch.edu.ec

Carlos Daniel Cujilema Naula[pic 3]

Bachiller General, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, investigador/Grupo 6/ Ingeniería Mecánica, Riobamba, Ecuador, carlos.cujilema@espoch.edu.ec

Brandon Antonio Chiza Muñoz[pic 4]

Bachiller Técnico Industrial, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Investigador/Grupo 6/Ingeniería Mecánica, Sangolquí, Ecuador, juan.gualotunia@espoch.edu.ec

Christian Danilo Alcoser Pinda[pic 5]

Bachiller General, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Investigador/Grupo 6/Ingeniería Mecánica, Ambato, Ecuador, christian.alcoser@espoch.edu.ec

José David Uzhca Mejía[pic 6]

Bachiller Técnico Industrial, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Investigador/Grupo 6/Ingeniería Mecánica, Cuenca, Ecuador, jose.uzhca@espoch.edu.ec

Resumen—En este trabajo se analizan los principios y elementos de un acelerador de partículas ciclotrón. Inicialmente se estudian algunas especificaciones del ciclotrón, luego se centra en el principio de funcionamiento y los tipos de ciclotrón. Se describen las características de ocupación, consumo, mantenimiento y servicios anexos necesarios. También se ve el caso concreto de uso de un ciclotrón en la aplicación clínica se reporta un estudio de la técnica hadronterapia abordado desde la perspectiva física, así como su utilidad, tratamiento y dosificaciones. Por último se procedió con la elaboración de una simulación en Matlab de la trayectoria del haz de partículas de los hadrones ciclotrón.

En esta investigación no se podrá realizar un cálculo de la trayectoria total del haz en forma más exacta ya que para esto se deben involucrar fórmulas y conocimientos específicos del campo de Física de Aceleradores, además de que parte de la información necesaria se desconoce o permanece como secreto de cada fabricante de  acelerador de partículas ciclotrón

Palabras clave: ciclotrón, hadronterapia, dosificaciones, hadrones

Abstract 

This paper discusses the principles and elements of a cyclotron particle accelerator.

Initially, some specifications of the cyclotron are studied, then it focuses on the principle of operation and the types of cyclotron. The characteristics of occupation, consumption, maintenance and related ancillary services are described.

The specific case of use of a cyclotron in clinical application is also seen

A study of the hadron therapy technique approached from the physical perspective is reported, as well as its usefulness, treatment and dosages.

Finally, a Matlab simulation of the particle beam path of the cyclotron hadrons was carried out.

In this investigation, it will not be possible to perform a calculation of the total beam path in a more exact way, since this requires formulas and specific knowledge in the field of Accelerator Physics,In addition, part of the necessary information is unknown or remains the secret of each manufacturer of the cyclotron particle accelerator.

Key words: cyclotron, hadrontherapy, dosages, hadrons

1. INTRODUCCIÓN

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 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 físicos crearon los aceleradores con dos fines principales: para descubrir partículas nuevas o investigar la estructura de los objetos del micromundo (es decir, las propias partículas). Las partículas desconocidas anteriormente pueden obtenerse en el acelerador durante la interacción de las partículas aceleradas con los núcleos de diversos elementos.  El estudio de las pequeñísimas estructuras del micromundo en los aceleradores se funda en que el flujo de partículas aceleradas, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, se puede presentar como ondas de determinada longitud. Cuanto mayor es la energía de la partícula acelerada, tanto menor es la longitud de la onda. De la física se conoce que son visibles solamente los objetos, cuyas dimensiones lineales superan la longitud de la onda (las ondas luminosas tienen una longitud relativamente grande y, por eso, las posibilidades del microscopio corriente de observar objetos pequeños son muy limitadas[1].

[pic 7]

Fig. 1. Ciclotrón

1. ESTADO DEL ARTE

Un acelerador es un instrumento que se vale de campos electromagnéticos para acelerar partículas estables con una gran cantidad de energía; estas partículas pueden ser protones, electrones iones pesados, etc. El conjunto de partículas aceleradas toma el nombre de haz de partículas. El acelerador tiene grandes implicaciones dentro de distintas áreas. Tanto en física como en medicina (dos de sus aplicaciones más relevantes) su relevancia radica en parámetros como la intensidad, la energía, el tiempo (ciclo ocupacional) y la estructura temporal de la intensidad (rentabilidad). Una vez aceleradas pueden ser colisionadas contra otras partículas y observar la reacción que producen. Esto es llamado experimento de Blanco Fijo.

Acelerador de partículas en el sincrotrón

Funcionamiento

Estructura de estación de acelerador

La estructura del acelerador sincrotrón menciona que los electrones viajan en un anillo de almacenamiento durante unos tiempos definidos en cual son propuestos por el investigador, la LS se produce en los puntos del anillo en los que el campo magnético curva la trayectoria de los electrones. [3]

Se dice que el acelerador de partículas es siempre parte de una instalación, el cual el acelerador es la parte central, esta requiere una entrada y suministra una de salida. La fuente de entrada es las partículas de deseamos acelerar las cuales pueden ser moléculas y átomos los cuales son ionizados y estos iones cuales están siempre cargados son conducidos por un sistema de trasporte de haz hasta llegar al acelerador.

En cuanto a los antecedentes podemos decir “en los últimos 30 años, la física de más altas energías ha desarrollado un tipo de experimentos muy sofisticado y exigente, donde el objeto sobre el que incide rayo de partículas del acelerador no es un blanco fijo, sino otro rayo de partículas que viene en dirección opuesta” [1]

Colisionador de particulas

El acelerador de partículas LHC (The large Hadron Collider), es el más largo y potente del globo.

El acelerador cuenta con dos haces de partículas que viajan en bucle a través de un tubo en forma de anillo, de 27 kilómetros de imanes superconductores con una serie de estructuras aceleradoras las que aumentan la energía de las partículas durante el trayecto.

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