Um acelerador de partículas é uma máquina que utiliza campos eletromagnéticos para propulsionar iões a velocidades e energias muito elevadas, de forma a contê-los em feixes bem definidos. Aceleradores de pequena escala são utilizados para investigação fundamental em Física de partículas. Os aceleradores também são utilizados como fontes de luz sincrotrão para o estudo da Física da matéria condensada. Aceleradores de partículas mais pequenos são utilizados numa vasta variedade de aplicações, incluindo terapia de partículas para fins oncológicos, produção de radioisótopos para diagnósticos médicos, implantadores de iões para o fabrico de semicondutores, e Espectrometria de massa com aceleradores para medições de isótopos raros, como o radiocarbono.
Grandes aceleradores incluem o Colisor de Iões Pesados Relativísticos no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova Iorque, e o maior acelerador do mundo, o Grande Colisor de Hadrões (LHC) perto de Genebra, Suíça, operado pela CERN. Trata-se de um acelerador do tipo colisor, que pode acelerar dois feixes de protões a uma energia de 6,5 TeV e fazê-los colidir frontalmente, criando energias de centro de massa de 13 TeV. Existem mais de 30.000 aceleradores em operação em todo o mundo.
Existem duas classes básicas de aceleradores: eletrostáticos e eletrodinâmicos (ou eletromagnéticos). Os aceleradores eletrostáticos utilizam campos elétricos estáticos para acelerar partículas. Os tipos mais comuns são o Gerador Cockcroft-Walton e o Gerador de Van de Graaff. Um exemplo desta classe em pequena escala é o Tubo de raios catódicos de um televisor antigo comum. A energia cinética atingível pelas partículas nestes dispositivos é determinada pela tensão de aceleração, que é limitada pela rutura elétrica. Os aceleradores eletrodinâmicos ou eletromagnéticos, por outro lado, utilizam campos eletromagnéticos variáveis (quer por indução magnética, quer por campos oscilantes de radiofrequência) para acelerar partículas. Uma vez que, nestes tipos, as partículas podem passar pelo mesmo campo de aceleração múltiplas vezes, a energia de saída não é limitada pela força do campo de aceleração. Esta classe, desenvolvida pela primeira vez na década de 1920, é a base para a maioria dos aceleradores modernos de grande escala.
Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Max Steenbeck e Ernest Lawrence são considerados os pioneiros desta área, tendo concebido e construído o primeiro acelerador linear operacional, o betatrão, bem como o ciclotrão. Devido ao facto de o alvo dos feixes de partículas dos primeiros aceleradores ser habitualmente os átomos de um pedaço de matéria, com o objetivo de criar colisões com os seus núcleos para investigar a estrutura nuclear, os aceleradores eram comummente referidos como esmagadores de átomos no século XX. O termo persiste apesar do facto de muitos aceleradores modernos criarem colisões entre duas partículas subatómicas, em vez de uma partícula e um núcleo atómico.
Partículas estudadas Além das partículas mais básicas, elétrons, prótons e nêutrons, outras também podem ser detectadas e aceleradas. Por exemplo: existe a possibilidade de se acelerar partículas compostas, ou seja, partículas alfa, que são constituídas por dois prótons e dois nêutrons.
Tipos de aceleradores thumb|left|Acelerador de partículas fabricado pela Philips-Eindhoven em 1937 para pesquisa. O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajetórias focalizando-as e controlando as direções (defletindo-as).
Todos os tipos de aceleradores independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares.
Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de geração de vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas pelas moléculas de gases que porventura estejam em sua trajetória.
Tubos de raios catódicos
Um exemplo simples de acelerador de partículas, com todas as características citadas acima, são os tubos de raios catódicos de aparelhos de televisão. Estes dispositivos dispõem, numa de suas extremidades, um cátodo onde os elétrons ganham energia pelo aquecimento, escapando de seus átomos e ficando “livres”.
Cada elétron possui uma negativação individual. Ao se destacar do cátodo aquecido pelo filamento (efeito Édison) estas partículas ficam expostas a um campo elétrico estabelecido pela aplicação de uma diferença de potencial entre aquele cátodo e o outro extremo, ou ânodo nas proximidades da tela.
Uma vez emitidos, os elétrons são acelerados em direção a um foco entre um elétrodo chamado grade de controle e a um ânodo chamado de primeiro ânodo. A diferença de potencial aplicada à grade de controle determina a corrente eletrônica ou fluxo eletrônico, mais fluxo, mais brilho, menos fluxo, menos brilho, ou seja, controla o bombardeio de elétrons na tela.
A diferença de potencial do primeiro ânodo num tubo hipotético gira em torno de 250 V, proporcionando assim uma primeira aceleração em sua direção, porém, não há a captura das partículas, pois estão sendo atraídas em direção a um potencial maior. A alta tensão está presente no segundo ânodo, esta gira em torno de + V, que atrai os elétrons ainda mais, porém, estes passam em alta velocidade e ainda não são capturados devido a geometria tubular do elétrodo.
Acelerados, os elétrons que passaram pelo primeiro e segundo ânodos são agora manipulados eletronicamente num terceiro ânodo, o de ajuste de foco, isto é, aquele que “afina” ou "alarga" o diâmetro do feixe tal qual uma lente eletrônica cuja tensão gira em torno de + 300 V.
Observe-se que os ânodos são positivos, portanto, em cada atração os elétrons ganham mais energia e são mais acelerados. Para facilitar a passagem da corrente eletrônica e dificultar a captura dos elétrons, os ânodos são cilíndricos.
Após passar pelos três primeiros ânodos, os elétrons ainda são acelerados em direção a um quarto ânodo cuja diferença de potencial é em torno de + V também acelerando-os ainda mais.
Após passarem pelos ânodos, os elétrons são então desviados de suas trajetórias por bobinas de deflexão horizontal e vertical (bobinas que geram campo magnético) cuja função é executar a “varredura” para atingir a tela, e ao fazê-lo, ocorre a luminescência (o brilho ou luminescência, que tem cor pré definida conforme o ponto da tela, ocorre devido a mudança de estado energético dos átomos de fósforo depositados sob a tela).
Aceleradores lineares
Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória retilínea onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao longo da trajetória. Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.
O primeiro sistema é usado para elétrons e utiliza uma onda eletromagnética caminhante. O campo elétrico dessa onda fica orientado no sentido longitudinal, e fornece a energia cinética para os elétrons. Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um tubo de vácuo cilíndrico, formando um guia de ondas que direciona o campo acelerador. Existe também um amplificador de potência de radiofrequência (RF), (tipicamente uma válvula klystron) de vários megawatts que excita a câmara aceleradora com a onda eletromagnética. Para que ocorra a aceleração, é preciso assegurar a sincronização dos elétrons com a velocidade de fase da onda.
O desenvolvimento integral deste sistema de aceleração ocorreu a partir de meados da Segunda Guerra Mundial, esta espera ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a tecnologia de RF necessitou se desenvolver para a produção do equipamento.
O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas podem acelerar prótons, íons ou elétrons.
Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons, portanto não conseguem atingir rapidamente a velocidade de fase de uma onda caminhante impossibilitando o sincronismo com a mesma.
No Brasil, o desenvolvimento de aceleradores lineares se deve ao conhecimento e capacidade do Prof. Argus Moreira e sua equipe que projetou e construiu quatro máquinas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses aceleradores ajudam na formação de físicos, engenheiros e técnicos e o desenvolvimento de novas técnicas científicas.
Aceleradores eletrostáticos
Um acelerador eletrostático é um tipo de acelerador de partículas no qual partículas carregadas (elétrons, prótons ou íons) ganham energia cinética por meio de um campo elétrico produzido por uma grande diferença de potencial (alta tensão).
Este acelerador é normalmente identificado pelo tipo de gerador de alta tensão utilizado. A alta tensão pode ser gerada retificando-se uma tensão alternada (gerador Cockcroft-Walton), ou usando-se um sistema mecânico para o transporte de carga eletrostática até o terminal de alta tensão (gerador Van de Graaff).
Aceleradores cíclicos thumb|right|250px|Interior do túnel do LHC, no CERN. Além dos aceleradores lineares existem os aceleradores cíclicos. Estes são construídos para promover a trajetória curvada das partículas pela ação dos campos magnéticos em espiral ou circular.
Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que estas dão no dispositivo. Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o cíclotron e o síncrotron.
Cíclotron
O cíclotron possui dois eletrodos com a forma de um D, estes são ocos e semicirculares. Sua montagem é numa câmara de vácuo entre os polos de um eletromagneto. Os prótons, dêuterons (núcleo de um átomo de deutério, constituído por um próton e um nêutron) ou outros íons de maior massa começam a se locomover no interior dos eletrodos em forma de D. Neste momento é injetada uma diferença de potencial alternada de alta frequência e potência nos eletrodos cuja frequência é próxima à da circulação iônica, produzindo assim saltos de aumento de velocidade cada vez que estes passam de um eletrodo para o outro subsequente. O que ocorre com as partículas neste momento, é uma trajetória em forma hipoide ou de semicírculos cujos raios são crescentes havendo então uma perda do foco do feixe. É necessário então um sistema de "focalização" para forçar os íons numa trajetória pré determinada, evitando assim a perda iônica por espiralamento. Causando uma repolarização forçada através da variação radial negativa do campo magnético, haverá sobre a partícula uma pequena componente perpendicular ao plano do movimento de aceleração. Este efeito manterá a trajetória da partícula estável não permitindo a perda desta para fora do acelerador. Essa componente de correção é primordial, pois a trajetória total da partícula muitas vezes chega a centenas de metros e, conforme o caso, milhares.
A correção de trajetória pela focalização do feixe iônico somado ao efeito relativístico causa um aumento de massa nas partículas, pois é sabido que ao se aumentar sua energia acaba havendo o surgimento de uma diferença entre a frequência de oscilação do potencial acelerador e a frequência de circulação da partícula num segmento da sua trajetória. Este efeito gera um erro inflacionário, que aumenta a cada volta, limitando assim a energia máxima da partícula.
Sincrocíclotron