NeoFronteras

Acelerador de partículas minúsculo

Área: Física,Tecnología — Sábado, 5 de Octubre de 2013

Logran un acelerador de nueva tecnología con una ganancia de de 300 millones de electrón voltios por metro recorrido con un dispositivo de vidrio del tamaño de un grano de arroz.

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El dispositivo de vidrio de sílice empleado sobre la punta de un dedo. Fuente: Brad Plummer/SLAC.

La máquina más grande que el ser humano ha construido hasta el momento es el LHC, pero ya se está pensando en la construcción de un acelerado lineal que podría tener más de 30 km de longitud. Siempre que pensamos en aceleradores de partículas pensamos en máquinas muy grandes. Incluso cuando pensamos en sistemas de luz sincrotrón para otro tipo de ciencia básica o aplicada también nos viene a la mente una máquina grande.
Esto deja ciertas aplicaciones de los aceleradores fuera del ámbito de la Medicina o de la tecnología. Pero esta situación podría cambiar a raíz de un desarrollo reciente realizado por investigadores del SLAC y de Stanford University.
Se trata de un acelerador del tamaño de un grano de arroz a base de vidrio nanoestructurado que es capaz de acelerar electrones a gran velocidad, en concreto es 10 veces mejor que la tecnología convencional.
Los investigadores admiten que todavía queda un largo camino de desarrollo tecnológico por recorrer antes de que tenga aplicaciones comerciales, pero es sin duda un gran avance en la miniaturización de este tipo de dispositivos.
Como emplea láseres de bajo costo y técnicas de producción masivas los investigadores esperan que permita pronto la aparición de aceleradores “de escritorio”. Se podría usar para fabricar aparatos de rayos X más baratos y eficientes, usarlos en terapias médicas o en investigación biológica y Ciencia de los Materiales.
Para que nos hagamos una idea del logro, si se pudiera extrapolar al ámbito de la Física de Altas Energías, con esta tecnología se podría reducir el tamaño del acelerador SLAC de kilómetro y medio a sólo 30 metros. En concreto se logra una ganancia de 300 millones de electrón voltios por metro recorrido, que es 10 veces la del SLAC. La meta es lograr un Giga electrón voltio por metro. Esperan alcanzarla pronto, pues están a sólo un tercio.
En la actualidad los aceleradores usan microondas para acelerar los electrones, pero en este caso se usan láseres ultrarrápidos. En un primer momento los electrones son acelerados hasta una velocidad relativista con un acelerador convencional y luego se enfocan en un canal de media micra de grosor creado en vidrio de sílice. En ese canal hay un patrón nanoestructurado en forma de cremallera (ver imagen). Entonces un haz láser infrarrojo (de 800 nm) ilumina el vidrio y genera campos eléctricos en el canal que aceleran los electrones.

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Esto se debe a que el campo eléctrico del haz láser separa los electrones de núcleo en los átomos del vidrio, lo que a su ve crea un potente campo eléctrico que puede usarse para acelerar partículas cargadas, como los electrones del haz incidente. El truco está en la sincronización de los electrones (que viajan a casi la velocidad de la luz) con el patrón de campo eléctrico creado por los pulsos de luz.
Un grupo alemán de investigadores ha logrado resultados parecidos.
La idea es usarlo en un principio para crear buenas fuentes de rayos X de uso médico. Así que la ambición del hombre por saber la estructura de la materia o cómo funciona el Universo sirve, una vez más, para salvar vida humanas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa (ver vídeos).
Artículo original.

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6 Comentarios

  1. thetimethespaceandandtheman::

    “El truco está en la sincronización de los electrones (que viajan a casi la velocidad de la luz) con el patrón de campo eléctrico creado por los pulsos de luz.”

    Tubo amplificador de ondas progresivas, vieja idea.

    El mundo de los semiconductores es sorprendente.

    Una union P-N fuertemente dopada, puede tener una separacion de zona despoblada de unos 100 Anstromg.

    Eso, con una tension de unos 5 voltios, (Inversa), supone un campo de: (5 / 100e-10) (Volts/mt) =

    500 millones de voltios por metro.

    Eso, en un simple diodo tunel polarizado en inversa con 5 voltios, y unos microamperios de corriente.

    No me extraña que hayan juntado tecnologias conocidas con semiconductores, para crear estos dispositivos.

    Y si, tendran mucha utilidad (Me temo que tambien como cebadores de armas de fusion, al tiempo).

  2. Dr. Thriller:

    A mí se me ocurren muchas utilidades xD. Domésticas xD. Dada la sociedad que tenemos, va a ser buena idea ir blindando con papel de alumnio las paredes de nuestras moradas…

  3. thetimethespaceandandtheman::

    Es decir, tenemos un dispositivo del tamaño de unos milimetros de grande, capaz de generar haces de electrones con una energia, cada electron, del orden de 300 millones de electron-voltio por cada metro recorrido.

    Como la distancia recorrida es mas pequeña (Unos 5 milimetros), la energia a la salida debe ser del orden de :

    E(electron-voltios) = 300e6*5e-3 = 1.5e6 (electron-voltios).

    ¿Que hacer con eso?, bueno, por ejemplo, lo que dices, neo, hacerlos impactar sobre un blanco para hacer salir rayos-X (Los tubos habituales aceleran con tensiones del orden de 100Kilovotios, es decir, energias del orden de 100 electron-voltios, eso si, con mucha mas corriente).

    Pero seguro que saldran mas aplicaciones, un haz de electrones emergentes con 1.5 Mega-electronvoltios, de un dispositivo de tamaño de una caja de cerillas, puede ser muy util (Y no creo que excesivament caro, no veo tecnologias caras en ello).

    Recordemos que la energia media de un electron a temperatura ambiente (25 ºC), es de unos 0.025 electron-voltio (K·T), menuda diferencia.

  4. thetimethespaceandandtheman::

    Perdon por el error.

    “es decir, energias del orden de 100 electron-voltios,”, Mal.
    “es decir, energias del orden de 100e3 electron-voltios,”, bien.

    ¡¡¡Oh, maldito pre-alzeimer post-desayunico!!!!!!

    Bueno, ya tiene higgs su nobel, no puedo olvidar a otros que ya obtuvieron las masas de los eletrones hace mas de 100 años, (Concepto de masa electrodinamica, http://cienciaytiempo.wordpress.com/2012/07/20/historia-de-la-ciencia-ano-1905-documentos-originales/).

    Pero esto de la fisica parece politica, hay que olvidar epocas previas y adaptarse a lo nuevo.

    En fin, me voy haciendo mayor……

  5. Miguel Ángel:

    Muy apreciado Javier:

    No te flageles por ese pequeño lapsus, seguramente sea prueba de que tienes un cerebro sano y no el inicio de una demencia. En este sentido, sólo es señal de alarma si los lapsus son muy frecuentes, si olvidas sistemáticamente cosas como dónde has dejado las llaves o qué cenaste la noche anterior o si te desorientas en el tiempo o en el espacio.
    Veo que del premio de Higgs no te has olvidado…pues enhorabuena para Higgs y su bosón que, aunque fuese por error y para disgusto de Higgs, hubiese pasado mucho más desapercibido de no habérsele llamado “la partícula de Dios”. Veremos si tmabién era un farol cuando Higgs comentaba el año anterior que quizás fuese mejor que no le diesen el Nobel.

    Un fuerte abrazo.

  6. lluís:

    Es increible este logro, pero ¿hay alguna posibilidad de que este tipo de “miniaceleradores” sea extrapolable a la Física de Altas Energías?. ¿No colpasaría a agujero negro en experimentos de altas energías?

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