O que é e como funciona um acelerador de partículas?

Em Máquinas incríveis por André M. Coelho

Quer se trate de pesquisa médica ou científica, desenvolvimento de produtos de consumo ou para a segurança nacional, aceleradores de partículas tocam quase todas as partes da nossa vida diária. Desde os primeiros dias em tubos de raios catódicos na década de 1890, aceleradores de partículas contribuíram de forma importante para a inovação científica e tecnológica. Hoje, existem mais de 30 mil aceleradores de partículas em operação em todo o mundo.

Acelerador de partículas: o que é?

Um acelerador de partículas é uma máquina que acelera partículas elementares, como elétrons ou prótons, a energias muito altas. Em um nível básico, os aceleradores de partículas produzem feixes de partículas carregadas que podem ser usados para diversos fins de pesquisa. Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas: aceleradores lineares e aceleradores circulares. Os aceleradores lineares propulsionam partículas ao longo de uma linha de feixe linear ou direta. Os aceleradores circulares propulsam partículas em torno de uma pista circular. Os aceleradores lineares são usados para experimentos de alvo fixo, enquanto que os aceleradores circulares podem ser usados tanto para feixes colidindo quanto para experimentos de alvo fixo.

Acelerador de partículas: como funciona?

Os aceleradores de partículas usam campos elétricos para acelerar e aumentar a energia de um feixe de partículas que são orientados e focados por campos magnéticos. A fonte de partículas fornece as partículas, como prótons ou elétrons, que devem ser aceleradas. O feixe de partículas viaja dentro de um vácuo no tubo de feixe de metal. O vácuo é crucial para manter um ambiente livre de ar e poeira para o feixe de partículas viajar desobstruído. Os eletroímãs dirigem e focam o feixe de partículas enquanto viaja através do tubo de vácuo.

Campos elétricos espaçados em torno do acelerador de positivo para negativo em uma determinada freqüência criam ondas de rádio que aceleram partículas em grupos. As partículas podem ser direcionadas para um alvo fixo, como um pedaço fino de folha de metal, ou dois feixes de partículas podem ser colididos. Os detectores de partículas registram e revelam as partículas e a radiação produzidas pela colisão entre um feixe de partículas e o alvo.

Como os aceleradores de partículas contribuíram para a ciência?

Os aceleradores de partículas são ferramentas essenciais de descoberta para física de partículas e nuclear e para ciências que usam raios-x e nêutrons, um tipo de partícula subatômica neutra.

A física de partículas, também chamada física de alta energia, faz perguntas básicas sobre o universo. Com os aceleradores de partículas como ferramentas científicas primárias, os físicos de partículas alcançaram uma compreensão profunda das partículas fundamentais e das leis físicas que governam a matéria, energia, espaço e tempo.

Ao longo das últimas quatro décadas, fontes de luz, com aceleradores que produzem fótons, a partícula subatômica responsável pela radiação eletromagnética; e as ciências que os utilizam fizeram avanços dramáticos que atravessam muitos campos de pesquisa. Hoje, existem milhares de cientistas no mundo usando feixes de raios-x para pesquisas em física e química, biologia e medicina, ciências da Terra e muitos mais aspectos da ciência e desenvolvimento de materiais.

Um acelerador de partículas é uma tecnologia usada para muitas finalidades, e cada vez mais tem feito diferenças no dia a dia das pessoas normais. (Foto: Pinterest)

Como os aceleradores de partículas melhoraram os produtos de consumo?

Em todo o mundo, centenas de processos industriais usam aceleradores de partículas, desde a fabricação de chips de computador até os termoplásticos e muito além. As aplicações de feixes de elétrons se centram na modificação das propriedades dos materiais, como a alteração de plásticos, o tratamento de superfície e a destruição de patógenos na esterilização médica e na irradiação de alimentos. Os aceleradores de feixe de íons, que aceleram as partículas mais pesadas, encontram um uso extensivo na indústria de semicondutores na fabricação de chips e no endurecimento das superfícies de materiais como os utilizados nas articulações artificiais.

Como os aceleradores de partículas são usados em aplicações médicas?

Dezenas de milhões de pacientes recebem diagnósticos e terapia baseados em aceleradores todos os anos em hospitais e clínicas em todo o mundo. Existem dois papéis principais para aceleradores de partículas em aplicações médicas: a produção de radioisótopos para diagnóstico e terapia médica e como fontes de feixes de elétrons, prótons e partículas carregadas mais pesadas para tratamento médico.

A ampla gama de semi-vidas de radioisótopos e seus diferentes tipos de radiação permitem a otimização de aplicações específicas. Os isótopos que emitem raios-x, raios gama ou pósitrons podem servir como sondas diagnósticas, com instrumentos localizados fora do paciente para a distribuição da radiação da imagem e, portanto, as estruturas biológicas e o movimento ou constrição do fluido (fluxo sanguíneo, por exemplo). Os emissores de raios beta (elétrons) e partículas alfa (núcleos de hélio) depositam a maior parte de sua energia perto do local do núcleo emissor e servem como agentes terapêuticos para destruir o tecido canceroso.

A terapia de radiação por feixes externos tornou-se um método altamente eficaz para o tratamento de pacientes com câncer. A grande maioria dessas irradiações são agora realizadas com aceleradores lineares de microondas que produzem feixes de elétrons e raios-x. A tecnologia de aceleração, o diagnóstico e a técnica de tratamento nos últimos 50 anos melhoraram dramaticamente os resultados clínicos.

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Como os aceleradores de partículas beneficiaram a segurança nacional?

Os aceleradores de partículas desempenham um papel importante na segurança nacional, incluindo inspeção de carga, gerenciamento de estoque e caracterização de materiais. As primeiras aplicações de aceleradores para inspecionar combustíveis nucleares usaram aceleradores comerciais de baixa energia eletrônicos de baixa velocidade para induzir reações. Essas tecnologias de inspeção expandiram-se para a pesquisa de resíduos e eventualmente para inspeções de carga. A invenção do laser de elétrons levou a uma radiação eletromagnética de maior potência usando elétrons de alta energia, de interesse direto para aplicações de segurança e defesa.

Um acelerador de partículas é uma máquina que acelera partículas elementares, como elétrons ou prótons, a energias muito altas. Quer se trate de pesquisa médica ou científica, desenvolvimento de produtos de consumo ou segurança nacional, aceleradores de partículas tocam quase todas as partes da nossa vida diária. O que você já conhecia sobre os aceleradores de partículas?

Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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