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M.Pont Foro Nuclear 12/07/2017

Montse Pont (Sincrotrón ALBA)

ACELERADORES DE PARTICULAS


� Aceleradores de partículas

� Fuentes de radiación sincrotrón

� Sincrotrón ALBA


LHC en CERN con 27 km de acelerador


Radioterapia

Adronterapia

Implantacion ionica

Procesos industriale

Biomedicina

Produccion isotopos

Investigacion fundamental

Radioterapia

Teràpia amb ions

Implantació iónica

Processos industrials

Biomedicina

Producció isòtops

Investigació bàsica

Radioterapia

Implantación iónica

Investigación básica

En el mundo hay más de 35000

aceleradores de partículas en funcionamiento


Rayos X para

tratamiento de tumores

Implantación iónica en la industria

electrónica (dopantes)

Aceleradores para usos industriales


Partículas cargadas

Electrons (-)

Protons (+)

Campos eléctricos

Campos magnéticos

Acelerador de partículas


CLHC = 27 km, Ecm=13 TeV

Investigación básica: Colisionadores

2 haces de partículas que colisionan


Nuevo proyecto: Future Circular Collider (2035)

C = 80-100 km, alcanzando E = 100 TeV


Partículas cargadas + E + B

� Aumento energía

� Máxima luminosidad

Investigación básica: Colisionadores

Courtesy of L.Bottura, CERN


Investigación básica:

Fuentes de radiación sincrotrón

Partículas cargadas + E + B

� emisión de radiación electromagnética


1 eV 10 eV 100 eV 1 keV 10 keV 100 keV

Energy

10 13

10 14

10 9

10 10

10 11

10 12

10000 1000 100 10 1 0.1

Wavelength (Å)

10 8

10 7

Numberof photons/s

RS

X-ray tubesun

� Cubre un amplio rango de longitudes de onda,

con el máximo en la región de los rayos x

� Es de muy alta intensidad

� Haz de luz extremadamente colimado


Reflexión

Difracción

Fotoemisión

Microscopia

Dispersión

Absorción

Fluorescencia

Haz de luz

La interacción entre luz y materia es fundamental para

obtener información sobre las propiedades de la materia


Sincrotrons en el món


Producción de e-

Aceleración de e-

Emisión de rayos x

Lineas de luz

1

2

3

4

Acelera electrones

C = 268.8 m

E = 3.0 GeV (4.8-10 J)

Sincrotrón ALBA


Producción de electrones

� Por emisión termoiónica: Depende de la capacidad de los electrones de

escapar de un sólido al aplicar calor

� BaO embebido en Tungsteno

� Temperaturas ≈ 1200ºC

� 100 kV para acelerar electrones

� 60% de la velocidad de la luz

100.000 V

1


Acceleración hasta altas velocidades:

99.999998 % de la velocidad de la luz

Campos eléctricos oscilantes

Cavidad de RF

E ≈ 10.000.000 V/m

a

500 MHz

Consumo eléctrico d’ALBA: 3.5 MW

F = q E

2


Para guiar los electrones se utilizan campos magnéticos

� Imanes dipolares: mantener órbita circular

� Imanes cuadrupolares: focalizar los electrons

B = 1.4 TCampo magnético terrestre 25-50 µT

G =20 T/mF = q (v x B)

2


Los imanes dipolares son también los responsables

de la emisión de radiación sincrotrón

Iman dipolar

Haz de electrones Radiaciónsincrotrón

Emisión de luz de sincrotrón3

Haz de electrones


Campo eléctrico

Imán


rayos X

electrones

Linea de luz


e-

campo magnético

campo eléctricoradiación

e-

e-

Esquema sincrotrón


4. Emisión de rayos x

1. Electrones viajando

indefinidamente

5. El haz de luz es

extremadamente colimada.

Muestra a decenas de metros

Ultra alto vacío(10-10 mbar)

Limpieza, cámara de vacío

Peligro de irradiación – protección radiológica

Búnquer (túnel)

2. Campos magnéticos para

guiar e-electroimanes + fuentes de alimentación

Refrigeración

Potencia eléctrica

Estabilidad mecánica: vibraciones y deformaciones

Losa estructural, control temperatura, vibraciones

3. Campos eléctricos para

acelerar e-Voltajes muy elevados – fuentes de alimentación

Refrigeración

Potencia eléctrica

Características Requerimientos técnicos

Tecnología


• Atraviesan la materia

� radiografias, microscopia, tomografia

• Se corresponden con transiciones de niveles electrónicos

� espectroscopia

• Tienen longitudes de onda similares a las distancias

interatómicas

� difracción

Los rayos X son útiles porque


MSPD

Materials Science and Powder Diffraction

NCD

Non Crystalline Diffraction

XALOC

Macromolecular Crystallography

BOREAS

Resonant

Absorption and Scattering

MISTRAL

Soft X-ray microscope

CLAESS

Absorption

& Emission Spectroscopy

8 LINEAS OPERATIVAS

3 LINEAS en CONSTRUCCION

CIRCE

Photoemission Spectroscopy

and Microscopy

MIRAS

Infrared

LOREA

Low energy spectroscopy

XAIRA

Macromol. Crystallography (2)

NOTOS

Instrumentación + ABS


Biomaterials

NCD

XALOC

MISTRAL

Fibres, polimers and biological solutions

Proteins and Virus structure

Cells

MaterialsCLÆSS Chemical analysis, chemical reactions and Environment

MSPD Material structure, Pharmaceutical Compounds, Geologycal

material, Ceramic, ...

NanotechnologyCIRCE Nanodevice microscopy

Nanomaterial magnetismBOREAS

ALBA BEAMLINES

MIRAS Cells, virus structures


resolución 0.1 nm

Cristalografía de macromoléculas


Mediante la técnica de la difracción se determinan estructuras de macromoléculas (proteinas, virus, fármacos ....)



Patrón de difracción a 0.15 nmde resolución

rayos X

Proteina cristalizada



)()](2exp[)(1

xyzlzkyhxihklFV hkl

ρπ =++−∑

centenares de imágenesde difracción

Imagen 3d

densidad electrónicade la macromolécula

AlkB

Fe2+



� PDB (Protein Data Bank) és un banco de datos a nivel mundial para

estructuras moleculares

� Se determinan 9000 estructuras anuales

� > 85% determinadas con cristalografía (en sincrotrones)

� 5 premios nobeles desde 2000



Resumen

� El sincrotron ALBA es la instalación científica más importante de España

� Los aceleradores están en marcha 6000 h/año, 24h/día

� Cada año se reciben en ALBA más de 250 experimentos (factor 2 sobre suscripción)

� La tecnología desarrollada en el campo de los aceleradores de partículas para

investigación básica ha transcendido su ámbito de aplicación inicial


Gracias por vuestra atención

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