Introducción
Un acelerador de electrones es como su propio nombre indica una máquina que produce electrones a alta velocidad (alta energía cinética).
Existen muchos medios posibles para acelerar los electrones entre ellos la aplicación de un campo electromagnético estacionario, mediante microondas...
Un modelo simplificado de acelerador
Un acelerador de electrones sencillo puede construirse utilizando un tubo de vacío con un par de electrodos y una fuente de tensión. Supongamos que los electrodos están separados y que la diferencia de potencial es de , el campo eléctrico que aparecerá entre los electrodos será de . Si situáseos un electrón entre el cátodo y el ánodo, el campo eléctrico ejercerá sobre éste una fuerza en sentido contrario al campo que lo acelerará. La aceleración del electrón será:
Y la energía de dicho electrón sería de . Para lograr una provisión de electrones adecuada podríamos sustituir el catodo por un filamento, así podríamos lograr un haz de electrones de .
Si quisiéramos conseguir a partir de dicho acelerador de electrones uno de fotones bastaría con interponer un blanco en la trayectoria del haz de electrones.
Para obtener valores altos de tensión deberíamos sustituir la batería por un generador de corriente alterna.
El acelerador lineal de electrones de uso clínico real
En la práctica, disponer de un generador de alta tensión que pueda alcanzar los valores requeridos es inviable. Es por esto, por lo que el sistema de aceleración de los electrones se realiza mediante la acción de microondas de alta potencia.
Las ondas de microondas usadas en los LINACS tienen una frecuencia de . La corriente eléctrica de uso doméstico tiene una frecuencia de .
El mecanismo de aceleración de los electrones por efecto de las microondas consiste, básicamente, en una cesión de energía de un haz de microondas de alta potencia a un paquete de electrones. Dicho efecto se produce en el interior de la sección de aceleración y tiene lugar en tres etapas:
1. El cátodo inyecta electrones con una cierta velocidad inicial a la sección de aceleración.
2. En la primera sección de aceleración, tiene lugar un incremento de velocidad de los electrones acompañado de una ganancia continua de energía a costa de las microondas.
3. Al alcanzar la velocidad de los electrones un valor cercano a la velocidad de la luz comienza la última etapa, en la que los electrones entran en la zona relativista y ganan energía al aumentar su masa.
Arquitectura de los LINACs
Estructuras dentro del acelerador de electrones
Cavidades resonantes
Las cavidades resonantes constituyen un elemento básico, tanto para el magnetrón como para la sección de aceleración.
Esencialmente se trata de una estructura cilíndrica con dos orificios circulares, uno en su base y otro en la parte superior. Las paredes deben ser de un material que proporcione alta conductividad eléctrica y térmica. En el interior de la cavidad, al circular ondas por su interior, tienen lugar fenómenos de resonancia de igual manera que en cualquier instrumento acústico. Debido a la acumulación de carga eléctricas en las paredes de la cavidad se trata de unos dispositivos de alta efecacia para lograr campos eléctricos intensos.
Al hacer pasar un haz de electrones por los orificios de la cavidad (que es dónde existe la mayor densidad de carga) el intenso campo eléctrico provoca la aceleración de lo ¡s mismos
El klystron
El klystron es un dispositivo que no puede considerarse estrictamente como un generador de microondas. Sino como un amplificador de estas. No obstante resulta en un sistema muy estable. Es el que se usa en la mayoría de los aceleradores de uso clínico modernos.
El magnetrón
Es un generador de microondas menos estable que el klystron pero de diseño mucho más sencillo, estable y económico.