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Física

Electrones en alta velocidad

Proyectan y construyen un acelerador de partículas en el Instituto de Física de la USP

EDUARDO CESARMicrotron: los experimentos en física nuclear y en la medicinaEDUARDO CESAR

Existen diversos modelos de aceleradores de partículas, de tamaños diferentes y cada uno con características propias. Son máquinas que transportan haces de partículas en el interior de una tubería hasta un blanco específico con el objetivo de romper un átomo, para entrar en choque con partículas subatómicas o para entender la formación de un material, ya sea orgánico o inorgánico. El más famoso del mundo es el gigantesco Large Hadron Collider (LHC), ubicado en Europa. En Brasil el mayor es el Sincrotrón, instalado en Campinas, en el interior paulista. El más reciente modelo de este tipo de máquina en el país es un microtrón que acelera electrones hasta una velocidad cercana a la de la luz, y fue proyectado y construido casi íntegramente por investigadores del Instituto de Física (IF) de la Universidad de São Paulo (USP), con recursos económicos de la FAPESP – fundamentalmente para la compra de equipos y para becas de estudio -, del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y de la Coordinación de Perfeccionamiento del Persal de Nivel Superior (Capes), con un total de inversiones que ronda el millón y medio de reales.

Los primeros ensayos que validaron el aparato y produjeron haces de electrones se realizaron en 2008, en tanto que los experimentos iniciales con el nuevo acelerador se llevaron a cabo en agosto de 2010. Este comienzo de trabajo se refirió al análisis y el diagnóstico para la detección del haz y de la emisión de radiación generada por el acelerador, estudios que se relacionan con la construcción del complemento del aparato. En la actualidad el acelerador opera con un haz de energía de 1,9 millón de electronvoltios (MeV). El objetivo para los próximos cinco años es llegar a los 38 MeV, que lo transformarán en una máquina única en el mundo, ya que no existe otro microtrón con esa configuración. El mayor microtrón del planeta está en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, Alemania, institución que colaboró con el equipo del IF a lo largo de todo el proyecto, que cuenta con un acelerador con energía de até 1.500 millones de electronvoltios (GeV).

El microtrón de la USP llegará a un estadio intermedio de 6 MeV, con un haz de buena calidad, en 2012 ó 2013. “Con 6 MeV será posible hacer estudios con finalidades médicas, ya que es la misma energía de los aceleradores empleados en radioterapia para el tratamiento de cánceres”, dice el profesor Vito Vanin, coordinador del microtrón y jefe del Departamento de Física Experimental del instituto. “Así podremos estudiar la interacción entre la radiación y el cuerpo. En esos casos, para la aplicación de la radioterapia, actualmente se prepara una máscara, a los efectos de que la radiación llegue solamente al local en donde está el tumor. Sucede que los bordes de dicha área también son afectados, y querríamos contribuir a minimizar este problema. Los datos experimentales actuales sobre este tema son escasos”, dice Vanin. En estos estudios, los brasileños contarán con la colaboración de investigadores de las universidades de Barcelona y la Politécnica de Cataluña, ambas de España, y de la Universidad Duisburg-Essen, Alemania, que tienen trabajos teóricos sobre el tema y pretenden entrar en una fase experimental con el equipamiento del IF de la USP.

EDUARDO CESARComplejidad para garantizar un haz rápido y continuoEDUARDO CESAR

En estudios de física básica, el nuevo acelerador podrá colaborar para obtener una mejor comprensión de las rea­cciones de fisión en núcleos pesados, tales como átomos de uranio, torio y otros elementos, y así será posible reanudar las líneas de investigación interrumpidas en el antiguo acelerador lineal de electrones del IF, que salió de servicio definitivamente en 1993. Era una máquina donada al IF en 1967 por la Universidad Stanford, Estados Unidos, con la intermediación del profesor José Goldemberg, de la USP. “Ya pensábamos en construir un nuevo acelerador cuando el antiguo aún funcionaba”, dice Vanin. Aunque tenía más energía, y llegaba a 60 MeV, el antiguo acelerador era de tipo pulsado, en tanto que lo ideal y más avanzado para el área de investigación sería un acelerador con un haz continuo de electrones en altísima velocidad y sin pulsos. “Esta característica es importante porque se adecua mejor a fines experimentales, aunque es más trabajoso instalar una máquina de haz continuo, mucho más compleja que una pulsada.”

El haz de electrones, en interacción con un blanco radiador, que es un material normalmente metálico dispuesto dentro de la tubería antes del material que será analizado, produce fotones, partículas elementales de luz, con energía suficiente como para investigar la estructura nuclear de manera independiente de los procesos de interacción que ocurren entre protones y neutrones, lo que constituye una nueva herramienta para el estudio del núcleo de los átomos. La colisión de los electrones contra ese blanco radiador también genera rayos X y gama que son radiaciones penetrantes empleadas en diversos tipos de análisis, incluso los nucleares. “La interacción del haz de electrones con una muestra arranca electrones de la capa interna de ese material y el rellenado del agujero con otro electrón del átomo produce rayos X. Puede producirse también el efecto de bremsstrahlung, que es la radiación de frenado repentino de los electrones por parte del núcleo del átomo, fenómeno en el cual se basa la producción de rayos X en los aparatos de uso médico. Estos procesos, más la radiación óptica de transición, que es la luz que genera el electrón cuando éste deja el vacío por donde transita para ingresar en un medio material, están estudiándose en nuestros primeros experimentos con el acelerador.”

El proyecto del nuevo acelerador empezó a cobrar cuerpo mediante un acuerdo con el IF de la USP y el Laboratorio Nacional Los Alamos de Estados Unidos, que aportó un proyecto destinado a la construcción de las estructuras aceleradoras del microtrón a comienzos de los años 1990. El instituto norteamericano también estaba construyendo a la sazón un acelerador de ese tipo pero con más energía, que llegó a funcionar, pero se mostró inestable y fue desactivado. “Nosotros queríamos trabajar con energías más bajas y el profesor Jiro Takahashi [del propio IF de la USP] rediseñó el proyecto y construyó las estructuras aceleradoras”, dice Vanin. En el comienzo del proyecto y en la construcción del acelerador, la coordinación de los trabajos estuvo a cargo del profesor Marcos Martins, quien actualmente es director de investigación y desarrollo de la Comisión Nacional de Energía Nuclear (Cnen). “Todos los componentes del microtrón fueron construidos con tecnología nacional, adquiridos en industrias brasileñas, a excepción de la válvula Klystron, que amplifica microondas, y algunos accesorios. Al construir la máquina, nosotros dominamos las condiciones experimentales, y conocimos los límites y las posibilidades de todos los componentes, y además ahora hacemos el mantenimiento y sabemos si los cambios serán o no fáciles, caros o baratos.”

Socios de mecanizado
Algunos componentes, como las cámaras de vacío de un aparato llamado booster, fueron mecanizados para la construcción del microtrón en el Centro Tecnológico de la Marina, de São Paulo. En el interior de esas cámaras, ubicadas dentro de electroimanes, el haz de electrones de vueltas para pasar nuevamente en una estructura aceleradora y adquirir velocidad. Otra contribución provino del Instituto de Estudios Avanzados (IEAv), del Departamento de Ciencia y Tecnología Aeroespacial (DCTA), que mecanizó los canales por donde pasa el agua de refrigeración de las estructuras aceleradoras. La máquina, en este estadio inicial, posee seis metros de longitud para el acondicionamiento de los electrones y algunos metros cuadrados para el booster.

La válvula klystron, de origen francés, fue financiada por el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), en 1989, en un valor total, que incluye un aparato de pruebas, de alrededor de 200 mil dólares. Es un amplificador de microondas que suministra ondas electromagnéticas para servir de medio de aceleración de los electrones en el trayecto del equipamiento hasta llegar a la muestra que se analizará. Son decenas de kilovatios de potencia que pasan por la tubería, el equivalente a una centena de hornos de microondas domésticos. Los electrones se generan en un cañón, capaz de producir 100 kilovoltios, que extrae esas partículas de un componente electrónico llamado de cátodo. El haz de electrones posee una corriente eléctrica de 50 microamperes, que parece pequeña si se la compara con el consumo de un electrodoméstico, pero corresponde al flujo de centenas de miles millones de electrones por segundo. El cañón fue proyectado y construido en el IF con el perfeccionamiento producto de una soldadura realizada en un horno de vacío para la unión entre piezas metálicas y cerámicas. El tubo cerámico del cañón de electrones fue donado por la empresa NGK do Brasil, fabricante de bujías de ignición para motores de autos.

El viaje del haz
Una vez producido en el cañón de electrones, el haz viaja en una especie de túnel de un diámetro de un centímetro y medio. A lo largo del trayecto, cuando el túnel atraviesa las cámaras llamadas cavidades, se inyectan las microondas y forman un campo eléctrico en la dirección del haz. En las puntas de la estructura aceleradora del booster existen dos grandes electroimanes que hacen que el haz regrese a ella, de manera tal de darle nuevo impulso. Para que todo funcione sin interferencias externas, una parte del aparato posee un blindaje magnético que bloquea incluso el campo magnético de la Tierra. A lo largo de todo el aparato hay una serie de microcontroladores que chequean diversos parámetros. Entre los sistemas necesarios para el buen funcionamiento del microtrón se encuentra el de protección personal. “Existe un sistema de interbloqueo que desconecta el acelerador en caso de que alguien entre al edificio de la máquina, como medida de precaución contra posibles problemas con la radiación X o gama.  Nadie permanece al lado del microtrón mientras éste está funcionando”.  El control del aparato se efectúa desde otra sala del instituto con un sistema dotado de un software exclusivo desarrollado por el equipo del microtrón.

El proyecto y la construcción del microtrón muestran el esfuerzo de independencia de un grupo de investigadores para dotar al país de un instrumento de gran importancia, no solamente para la ciencia básica, sino también para la industria. “Con el avance tecnológico habrá cada vez mayor necesidad de aceleradores industriales destinados a analizar piezas con haces de alta energía, por ejemplo, y nosotros hemos probado que tenemos capacidad científica y tecnológica como para construir un acelerador de electrones. Y podemos transmitir conocimientos sobre aceleradores a los que necesiten construirlos”, dice el profesor Vanin. Y añade que el grupo del microtrón tiene interés en mantener intercambio con investigadores de otras instituciones que deseen usar el acelerador.

Acelerador

Los proyectos
1. Montaje de la sala de control del microtrón (nº 98/15389-9); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Marcos Nogueira Martins – USP; Inversion R$ 40.835,45 y US$ 31.425,00 (FAPESP)
2. Adquisición de datos en el laboratorio del acelerador lineal (nº 97/04084-0); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Vito Roberto Vanin – USP; Inversion R$ 44.047,73 y US$ 55.659,50 (FAPESP)
3. Sistema de transporte del haz del microtrón booster (nº 03/07008-5); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Marcos Nogueira Martins – USP; Inversion R$ 166.665,00 (FAPESP)
4. Instalación y caracterización de la red de microondas de alta potencia del acelerador microtrón del IFUSP (nº 06/01017-0); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Vito Roberto Vanin – USP; Inversion R$ 124.812,50 y US$ 25.700,00 (FAPESP)

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