Principios Físicos y Funcionamiento del Ciclotrón: Aceleración de Partículas por Resonancia Magnética

El Ciclotrón: Principios de Aceleración Múltiple de Partículas

Un Ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas.

Ventajas sobre la Aceleración Directa

El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociadas a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.

Componentes y Configuración Estructural

El aparato consta de dos placas semicirculares huecas, conocidas como 'Ds' o des, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas. El sistema opera en condiciones de vacío.

A dichas placas se les aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas.

Mecanismo de Funcionamiento y Resonancia

Como consecuencia de esta configuración, el proceso de aceleración se desarrolla de la siguiente manera:

1. Aceleración Inicial: Durante un semiciclo, el campo eléctrico acelera los iones (formados en la región diametral) hacia el interior de uno de los electrodos ('D').
2. Trayectoria Circular: Dentro del electrodo, el campo magnético obliga a los iones a recorrer una trayectoria semicircular, reapareciendo en la región intermedia.
3. Ajuste de Resonancia: El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones.
4. Aceleración Múltiple: Cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su dirección, proporcionando un segundo aumento de velocidad al pasar al interior de la otra 'D'.

Independencia del Tiempo de Recorrido

Dado que los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de sus velocidades. Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas.

Energía Cinética Final

Los iones se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la periferia del aparato. Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos, multiplicada por el número de veces que el ion ha pasado por la región intermedia entre las 'Ds'.