¿Qué es un Ciclotron?
Un ciclotrón es un acelerador de partículas cargadas (como electrones cargados negativamente y protones e iones cargados positivamente), que hace girar repetidamente las partículas cargadas para aumentar su velocidad.
El ciclotrón tiene una estructura de disco en forma de dos secciones rectas de electrodos con la forma de la letra D (electrodos dee) pegados entre sí, y acelera las partículas aplicando una diferencia de potencial que conmuta a gran velocidad en el hueco entre los electrodos dee.
Usos de los Ciclotrones
Los ciclotrones se utilizan en diversos campos para explotar los efectos del bombardeo de un objetivo con partículas cargadas aceleradas (por ejemplo, producción de isótopos naturales o modificación de semiconductores). Un ejemplo es la producción de compuestos radiomarcados de vida corta para PET (tomografía por emisión de positrones).
Los compuestos radiomarcados utilizados para la PET tienen una vida corta y deben producirse en ciclotrones para ser aptos para su uso. Recientemente, las instalaciones médicas están cada vez más equipadas con pequeños ciclotrones para PET.
Otra aplicación es la mejora del rendimiento de los semiconductores mediante su irradiación. Los semiconductores pueden modificarse irradiándolos con partículas cargadas para mejorar sus propiedades eléctricas.
Otras aplicaciones son la producción de radioisótopos para SPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único), radioisótopos de investigación, radiofármacos e investigación en física nuclear.
Principio del Ciclotrón
Los ciclotrones utilizan la fuerza ejercida sobre las partículas cargadas cuando atraviesan un campo magnético (fuerza de Lorentz). La columna vertebral de un ciclotrón es una sección en forma de disco formada por dos electrodos Dee en forma de letra D. La imagen de una forma circular se forma pegando las barras verticales de la D y la D invertida.
El electrodo D se coloca en un campo magnético creado por un electroimán. Esto se hace para aprovechar la fuerza de Lorentz para mover los iones. Cuando se introduce una partícula cargada en el campo magnético del ciclotrón, la fuerza de Lorentz hace que la partícula se doble y se mueva en una órbita circular. En este punto, orbitarán en una órbita circular siguiendo la forma de un disco formado por dos electrodos Dee.
Tras recorrer media circunferencia del disco, la partícula alcanza otro electrodo Dee, momento en el que se crea una diferencia de potencial entre los electrodos para acelerar la partícula. Cuando las partículas han completado su media circunvalación y regresan al electrodo original, se puede invertir la diferencia de potencial para acelerarlas de nuevo. Este proceso se repite para acelerar las partículas cargadas.
A medida que aumenta la velocidad de la partícula cargada, aumenta el radio de giro, lo que permite extraer la partícula de la periferia del disco.
Más Información sobre los Ciclotrones
1. Límites de Aceleración
A medida que la velocidad de la partícula cargada se aproxima a la velocidad de la luz, su masa aumenta debido a los efectos de la relatividad, lo que dificulta su curvatura. El radio es, por tanto, mayor que el calculado inicialmente, y la aceleración no puede lograrse como se diseñó en un principio. Por lo tanto, existen límites a la aceleración mediante un ciclotrón.
Así pues, se concibieron los sincrociclotrones y los sincrotrones. Los sincrociclotrones son ciclotrones que permiten acelerar hasta altas velocidades ralentizando la conmutación del campo eléctrico en función de la velocidad de los iones.
Los sincrotrones, en cambio, se basan en un concepto diferente del de los ciclotrones. A diferencia de los ciclotrones, que aumentan gradualmente el radio de su órbita, los sincrotrones aceleran cambiando la intensidad del campo magnético y el periodo de conmutación del campo eléctrico, pasando siempre por una órbita circular constante.
2. Ventajas de los Ciclotrones
Aunque los ciclotrones tienen limitaciones en la aceleración, una ventaja que no tienen los sincrotrones es la capacidad de acelerar partículas continuamente, vertiéndolas una tras otra.
También pueden producir haces de partículas de alta intensidad. Estas características son idóneas para la producción de isótopos y la modificación de semiconductores, en cuyas aplicaciones se utilizan con éxito.