Línea de luz Sincrotrón en México Acelerador lineal de

Línea de luz Sincrotrón en México
Acelerador lineal de electrones
Redes Temáticas CONACYT de Investigación
Red de Física de Altas Energías
Fuente de Luz Sincrotrón
1ª fase: Inyector LINAC
Línea de luz Sincrotrón para México
Febrero 2012, México D. F.
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Contenido
Instituciones que respaldan la Solicitud
Colaboración Institucional
Editores
Resumen
1.
Introducción
2.
Objetivo
3.
Generalidades
3.1 Aceleradores de partículas
3.2 Fuentes de Luz Sincrotrón
4.
Antecedentes y Motivación
4.1 Antecedentes
4.1.1 México en los aceleradores del mundo
4.1.2 Los aceleradores en México
4.2 Motivación
4.2.1 Fuente Mexicana de Luz de Sincrotrón - 1ª fase - LINAC.
4.2.2 Impacto Científico y Tecnológico en la formación de personal
4.2.3 El caso para un LINAC.
5.
Líneas de acción institucionales y de la red temática que justifican la adquisición
del equipo
5.1 Física Médica
5.2 Estudios de aceleración de electrones
5.3 Diagnóstico de haz
5.4 Implementación de Sistema de Dispersión de Ángulos Pequeños
5.5 Formación de recursos humanos
6.
Infraestructura e instalaciones
6.1 Requerimientos de infraestructura para el sitio de instalación de LINAC
6.1.1 Blindaje radioactivo
2
6.2
6.1.2 Estabilidad y tolerancia en vibraciones
6.1.3 Instalación Eléctrica
Propuesta de instalación
6.2.1 Túnel de blindaje a radiaciones
6.2.2 Estabilidad mecánica
7.
Solicitud de Recursos
7.1 Infraestructura LINAC
7.1.1 Propuesta Técnica: RI Research Instruments - Accel
7.1.2 Propuesta Técnica: Radia Beam Technologies
7.2 Gastos operativos
8.
Desglose Financiero
8.1 Acelerador lineal – LINAC
8.2 Costos de operación
8.3 Resumen de costos
9.
Cronograma de actividades
9.1 Cronogramas
Apéndices
A. Resumidos curriculares de los editores
B. Carta de la Red Temática
C. Cartas de las Instituciones que respaldan la solicitud
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Instituciones que respaldan la solicitud
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Fac. de Ciencias Físico Matemáticas: A. Bolaños, A. Fernández Téllez , M. I. Martínez,
E. Moreno Barbosa, M. Rodríguez, G. Tejeda, H. Salazar
VIEP:
P. H. Hernández Tejeda
Fac. de Electrónica: A. D. Palomino, F. Reyes Cortes, A. Vargas Treviño, S. Vergara
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del I.P.N.
Depto. de Bioquímica: A. Guerrero
Depto. de Biomedicina: V. Ortiz
Depto. de Física: M. Carbajal, I. Hernández Calderón, R. Gómez, G. Herrera Corral,
R. López, M. López, L. M. Montaño, L. F. Rojas
Depto. de Física Aplicada: J. G. Contreras, J. Mustre de León
Cinvestav-Irapuato: L. G. Brieba
LANGEBIO: L. Herrera Estrella
Cinvestav-Monterrey: B. Escalante, H. Garnica, D. Gutiérrez, H. Mercado, C. Ruiz
Depto. de Química: Giovana Granados, E. Juaristi, L. Quintanar, Ma. de Jesús Rosales, J.
Tiburcio, Ma. de los Angeles Paz.
Depto. de Ingenieria: E. Suaste
Investigación Politécnico Nacional
Centro de Nanociencias y Micro y Nano tecnologías: Gerardo Cabañas
ESFM: Gerardo Contreras Puente, Adolfo Escamilla Esquivel
CIC: Jesús Martínez
ESIQIE: Beatriz Zeifert
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Colaboración Institucional
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares ININ
Eli Aguilera
Universidad Autónoma Michoacana de San Nicolás Hidalgo
L. M. Villaseñor
Universidad Autónoma de Sinaloa
I. León Monzón, Juliana Gómez
Universidad Nacional Autónoma de México - UNAM
Alexis Aguilar, Juan Carlos D’Olivo, J. Jiménez Mier y Terán – ICN
Abel Moreno, IQ
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Editores
Guillermo Contreras Nuño
Departamento de Física Aplicada
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Campus Mérida, Yucatán
E-mail: jgcn@mda.cinvestav.mx
Arturo Fernández Téllez
Facultad de Ciencias
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Puebla, Puebla
E-mail: afernan@mail.cern.ch
Gerardo Herrera Corral
Departamento de Física
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Campus Zacatenco, México, D.F.
E-mail: gherrera@fis.cinvestav.mx
Ricardo López Fernández
Departamento de Física
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Campus Zacatenco, México, D.F.
E-mail: lopezr@fis.cinvestav.mx
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Resumen
Una fuente de luz sincrotrón consiste de un acelerador circular de electrones. Los electrones
al cambiar la dirección de su trayectoria emiten radiación. Esta radiación barre el espectro
de infrarrojos pasando por el visible, el ultravioleta, hasta llegar al de rayos X duros. La luz
de sincrotrón tiene propiedades especiales que la hacen muy interesante para estudios de
todo tipo de estructuras químicas, biológicas, arqueológicas, etc. así como para
aplicaciones médicas e industriales.
Una fuente de luz sincrotrón es un centro multidisciplinario donde se dan cita los
investigadores de todas las áreas del conocimiento para llevar a cabo sus proyectos
científicos y tecnológicos. También se da servicio a la industria de la manufactura así como
la extractiva (petróleo y minerales) etc. La instalación se ve como la mostrada en la figura
abajo. La línea tangencial en la parte inferior sirve para extraer la luz que se genera cuando
los electrones giran en círculo.
Con esta radiación se hace análisis estructural de materiales cristalinos y amorfos con
difracción, análisis de proteínas por cristalización, dispersión de ángulos pequeños (SAXS),
espectroscopía por absorción de rayos X, espectroscopia de emisión, tomografía y
radiografía medica por contraste de fase. Permite también la investigación en fotolitografía de rayos X o nano-litografía, estudio de sistemas micro electro- mecánicos
(MEMS) entre otros muchos.
Existen actualmente más de 50 laboratorios de este tipo en el mundo. La mayor parte en
EUA, Europa y Asia del Norte. Brasil cuenta actualmente con uno de estos laboratorios y
considera la construcción de una segunda fuente. El costo de una fuente de luz sincrotrón
es aproximadamente de 300 millones de dólares e implica un tiempo de desarrollo y
construcción de 8 a 10 años.
La propuesta que planteamos es un desarrollo en fases. En la primera fase proponemos el
montaje del acelerador lineal del sistema de inyección. El acelerador lineal o LINAC con
los parámetros de una fuente de luz sincrotrón de tercera generación permitiría también la
producción de luz sincrotrón en lo que sería la primera línea en México. Con un costo
accesible, esta primera fase permitiría formar y entrenar a la gente en los diferentes
aspectos del funcionamiento del acelerador que incorpora todas las tecnologías del
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complejo completo, i.e. tecnología de radiofrecuencia, tecnología criogénica, alto vacío,
protección radiológica, potencia, control de sistemas etc.
anillo de almacenamiento
sistema de inyección
acelerador lineal
estación experimental
Aspecto general de una fuente de luz sincrotrón.
El acelerador lineal no solo ofrece la posibilidad de generar una línea de luz sincrotrón,
proporciona también un haz de electrones de calidad para estudios de litografía con
electrones, radiografía industrial, irradiación de materiales etc. Un haz de electrones de 100
MeV como el que se propone resulta excelente para la generación de neutrones que son de
gran interés como herramienta de investigación de materiales. En el área de las altas
energías un haz de electrones como este permitirá estudiar nuevas técnicas de aceleración.
La instalación que albergue al acelerador debe contar con: muros de concreto adecuados
para el blindaje de neutrones, estabilidad mecánica, estabilidad térmica, subestación de
potencia y torretas de enfriamiento de magnetos. El equipo humano alrededor del
laboratorio involucra ingeniería mecánica, electrónica, computación en sus más variadas
vertientes. Los usuarios del laboratorio trabajan en áreas que van de la biología y la
medicina pasando por la química, la ingeniería de materiales, la ingeniería en
microelectrónica y nano-tecnología hasta la ingeniería industrial del sector extractivo
entre otros.
LINAC que sirve de inyector a la fuente de luz de sincrotrón en Suiza y que cuenta con los parámetros
de la propuesta que presentamos.
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1. Introducción
La propuesta que presentamos es el montaje de un acelerador lineal de electrones de
100 MeV de energía para lo que será un Laboratorio Nacional de Investigación y
Desarrollo de Aceleradores y Luz de Sincrotrón. El laboratorio contará con un programa
de investigación donde la tecnología de aceleradores sea orientada a la innovación
tecnológica, científica e industrial. La parte central de este laboratorio será la formación
de infraestructura material y humana encaminada a la construcción de una fuente de luz de
sincrotrón. Como tal proporcionara luz sincrotrón mediante un dipolo magnético al final de
acelerador generando luz para su uso experimental.
El acelerador lineal constituye la primera fase de un complejo mayor que es una
fuente de luz sincrotrón de tercera generación cuya finalidad sea la de producir fotones, que
permita ver lo que está ocurriendo en la estructura de la materia a nivel molecular y
atómico. En su forma final el proyecto que proponemos es la construcción de una fuente de
luz Sincrotrón que será de gran utilidad para muy diversos campos de la ciencia y la
tecnología. El objetivo es proveer con luz de sincrotrón a usuarios de las más diversas áreas
de investigación de los diferentes sectores científicos y tecnológicos del país. Esto
comprende instituciones académicas, centros de investigación y desarrollo e industrias
privadas. Pretende ser un agente promotor de una nueva forma de realizar investigación
científica así como de fomentar una mejor articulación entre ciencia, tecnología e industria.
El proyecto que presentamos puede desarrollarse en 3 años a partir de la obtención de
los recursos así como de las instalaciones donde se colocará la máquina que consistirá de
una fuente de electrones, un pre-empaquetador, generador de potencia klystron y dos
etapas de aceleración lineal. Un dipolo magnético de 5500 G al final de la línea de haz
equipado con una cámara de vacío proporcionara luz de sincrotrón para uso experimental.
En el marco del proyecto más grande que es una fuente de luz sincrotrón es importante
notar que, en el mundo existen varias decenas de aceleradores de electrones dedicados
exclusivamente a la generación de luz. El único en América latina está en Brasil y opera
desde mediados de la década de los 90s. El proyecto de construcción de una Sincrotrón
tiene dos dificultades: a) el costo actual de los aceleradores que producen esta luz es
relativamente alto al estar por arriba de los 200 millones de dólares, b) la carencia de
recursos humanos con conocimiento en el diseño y la física de aceleradores en el país. El
desarrollo del proyecto en etapas resuelve estos dos obstáculos. Aquí proponemos la
primera fase como un proyecto cerrado de bajo costo que permite la obtención de
resultados y al mismo tiempo desarrolla los recursos humanos para las siguientes etapas
del proyecto más grande que sería la Fuente de Luz Sincrotrón.
Con la realización de la propuesta, el país se pondría a la vanguardia en un área de
desarrollo científico y tecnológico en el que actualmente tenemos un rezago.
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2. Objetivo
Los objetivos del proyecto son:
La creación de un laboratorio dedicado a la investigación de aceleración de partículas y
generación de luz de sincrotrón mediante el montaje de un acelerador de electrones lineal
de radiofrecuencia.
Montaje y operación de una línea de luz sincrotrón mediante la colocación de un dipolo
magnético al final de la línea de haz para uso experimental.
Establecer y consolidar un grupo interdisciplinario para el estudio de aceleradores,
detectores y sus diferentes aplicaciones en ciencia y tecnología.
Construcción de la primera etapa de una Fuente de Luz Sincrotrón. El acelerador lineal de
electrones constituye la primera fase de una fuente de luz sincrotrón para México al ser el
inyector que proporcionará los electrones al anillo impulsor que a su vez elevará la energía
de los electrones de 100 MeV a 3.5 GeV antes de que éstos sean inyectados al anillo
almacén donde se genera la luz sincrotrón.
Proponemos crear el Laboratorio Nacional de Investigación de Aceleradores de Partículas
y Detectores de Radiación que tenga como misión:
•
Crear una línea luz de sincrotrón para uso experimental mediante un dipolo
magnético al final de la línea de haz.
•
Realizar investigación, desarrollo, así como la formación de recursos humanos
calificados en Ciencia y Tecnología en el área de aceleradores de partículas.
•
Proyectar y construir aceleradores, así como su instrumental científico.
•
Desarrollar aplicaciones de aceleradores de partículas en investigación básica y
tecnológica en los sectores: industrial, agroindustrial, de salud, así como en áreas
de tecnología avanzada.
•
Desarrollar y generar bienes, así como licenciar para la fabricación por terceros
productos y servicios de alta tecnología.
•
Colaborar con instituciones de enseñanza e investigación nacionales e
internacionales para el desarrollo de proyectos comunes.
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•
Cooperar con la iniciativa privada en actividades de investigación y desarrollo así
como incentivar la incubación e implantación de nuevas empresas de alta tecnología.
•
Establecer la primera etapa de una fuente de luz sincrotrón mediante el montaje del
inyector lineal de electrones.
Entre los múltiples usos y aplicaciones de un LINAC como el que se propone aquí, esta
posibilidad de montaje de un blanco para la producción de neutrones. Los neutrones pueden
ser usados en la caracterización de materiales así como en investigación de aplicaciones
médicas como por ejemplo terapia por captura de boro. La terapia por captura de boro es
muy reciente. Los primeros pacientes tratados de manera exitosa tuvieron lugar en 2001 en
Italia. Existen aún existen muchos temas de potencial desarrollo en la técnica.
El laboratorio ofrecería tres líneas: haz de electrones de 100 MeV, haz de neutrones
pulsado y un haz de luz sincrotrón en el ultravioleta. El desarrollo de éstas y otras
vertientes dependerá de la formación de grupos de trabajo dedicados. El proyecto que
presentamos tiene como línea base la generación de un haz de electrones de calidad y una
línea de luz sincrotrón para uso experimental.
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3. Generalidades
3.1 Aceleradores de partículas
Un haz de partículas es una herramienta muy útil. Si el haz de partículas tiene la
energía correcta y la intensidad justa puede reducir un tumor, producir energía limpia,
detectar un objeto sospechoso en carga, fabricar un neumático radial mejor, limpiar el agua
sucia para beberla, trazar proteínas, estudiar una explosión nuclear, diseñar una nueva
droga, fabricar un cable automotriz resistente al calor, diagnosticar una enfermedad, reducir
la basura nuclear, detectar la falsificación de arte, implantar iones en semiconductores,
datar objetos arqueológicos o descubrir los secretos del universo.
Los haces producidos hoy día en aceleradores de partículas se orientan al estudio de
los problemas de nuestro país: energía, ambiente, empleos dignos y seguridad económica,
salud, etc. La nueva generación de aceleradores tendrá un potencial aún mayor y
contribuirá aún más a la salud, riqueza y seguridad de las naciones que los diseñan,
producen y usan.
Así por ejemplo, incorporar la tecnología de aceleradores en las fuentes de energía
nuclear del mañana tiene el enorme potencial de hacer la energía atómica más segura, más
limpia con mucho menos residuos nucleares.
Haces de electrones pueden tratar al flujo de gases de las plantas generadoras de
electricidad más limpias y amigables con el medio ambiente.
Estos haces podrían purificar el agua que se desperdicia y hacerla potable.
Los avances en la terapia con haces prometen mejorar el tratamiento de cáncer
maximizando la energía que se deposita en el tumor al mismo tiempo que se minimiza el
daño al tejido sano. Los aceleradores pueden servir como fuente alternativa confiable de
isótopos médicos.
En la industria, los aceleradores son una alternativa más barata y más verde en cientos
de procesos de manufactura.
El desarrollo continuado de la tecnología de aceleradores dará a los científicos las
herramientas de descubrimientos en todo el espectro de las ciencias de la física de
partículas a la biología humana.
Por todo esto creemos que México debe incursionar en la tecnología de aceleradores.
Aunque la marca mundial en energía le pertenece al Gran Colisionador de Hadrones
del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares CERN, en realidad son decenas de miles
de aceleradores los que trabajan diariamente para producir los haces de partículas en los
hospitales y clínicas, en las plantas de manufactura y laboratorios industriales etc.
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Sumando, son más de 30 mil aceleradores los que operan en el mundo. En México
más de 70 de los cuales más de 50 se encuentran en los hospitales a lo largo y ancho de la
republica.
Muchos países reconocen el potencial a futuro de las aplicaciones de los aceleradores.
Los países de Europa y Asia están aplicando las nuevas tecnologías para aceleradores de la
siguiente generación. En marzo de 2010, el gobierno de Bélgica aprobó 1.3 mil millones
de dólares para el proyecto MYRRHA que espera demostrar un sistema con acelerador para
producir energía nuclear y transmutar los deshechos a una forma que decae más
rápidamente a materia estable no radiactiva. El gobierno de Bélgica estima que el proyecto
generará 2000 empleos. En China y en Polonia los aceleradores están convirtiendo gases de
chimeneas industriales en fertilizante. Corea opera una planta de tratamiento de agua de
escala industrial usando haces de electrones.
Los pacientes de cáncer en Japón y Alemania pueden ya recibir tratamiento con haces de
iones ligeros.
Históricamente, los avances en la tecnología de aceleradores han llegado del área de la
investigación científica básica. La curiosidad humana por descubrir las leyes de la
naturaleza, de las más fundamentales interacciones de la materia al comportamiento de los
sistemas biológicos complejos ha conducido a la búsqueda de herramientas cada vez más
poderosas.
Desde los días del tubo de rayos catódicos en 1980, los aceleradores de partículas han
sufrido una extraordinaria transformación como herramientas de ciencia básica. Entre el
ciclotrón de 10 centímetros de diámetro de Ernest Lawrence construido en Berkeley en
1930 y los aceleradores más poderosos de hoy como el Gran Colisionador de Hadrones
hemos tenido docenas de máquinas cada vez más poderosas y precisas que han venido
incorporando innovaciones para el avance científico. Cada generación de aceleradores de
partículas se construye sobre los logros del anterior, aumentando el nivel de tecnología
más aún.
Las Fuentes de Luz Sincrotrón son una de las formas más exitosas en el campo de los
aceleradores de partículas. Estos aceleradores de electrones proporcionan luz que puede ser
usada con muchos y muy diversos propósitos. Son las máquinas más modernas y complejas
de la investigación básica y aplicada de nuestro tiempo.
3.2 Fuentes de luz Sincrotrón
Uno de los usos más populares de los aceleradores es el de generadores de luz. La
luz que se produce tiene características muy particulares que permiten una gran resolución,
tanto espacial como temporal, es muy brillante y barre un espectro amplio que incluye los
rayos X duros.
La radiación es el producto de la aceleración de cargas eléctricas. Hay diferentes
formas de acelerar las cargas. El tipo de luz producida y sus características dependen de la
forma escogida. La más común es utilizar fuentes de luz sincrotrón. Los electrones son
acelerados hasta que alcanzan la energía deseada y luego son inyectados a un anillo de
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almacenamiento, el cual contiene dispositivos especiales en sus secciones rectas para
producir la luz coherente. En los últimos años, la tecnología ha avanzado lo suficiente como
para que los free electron laser (FEL) empiecen a utilizarse rutinariamente. Recientemente
se presentó otro avance, llamado compact light source parece será sólo útil en grupos
pequeños de investigación, debido al carácter monocromático y a la no muy alta intensidad
lograda. No se prevé que suplanten ni a las fuentes de luz sincrotrón ni a los FEL, sin
embargo parece ser una opción interesante y complementaria a los otros métodos.
El uso de la radiación sincrotrón, se inició como una actividad parásita en
aceleradores diseñados para estudios de física de altas energías. Con el tiempo estos
aceleradores dejaron de ser útiles en el área de física de altas energías y se convirtieron en
fuentes de luz dedicadas. A éstas se les llama fuentes de luz de primera generación.
Las fuentes de luz actuales fueron construidas específicamente para la producción
de luz sincrotrón. El diseño de los aceleradores está orientado a tener emitancias del haz lo
más pequeñas posibles, del orden de unos pocos nanómetros así como suficientes secciones
rectas que permitan la instalación de dispositivos de inserción para potenciar la generación
de luz sincrotón.
A las fuentes de luz sincrotón con estas características se les llama fuentes de luz
de la tercera generación. El término de fuente de luz de cuarta generación se refiere
normalmente a laboratorios basados en un acelerador lineal capaz de producir rayos X
duros mediante un FEL.
El advenimiento de la luz de sincrotrón ha tenido un gran impacto en la química
en diversas áreas como la espectroscopía y la caracterización estructural de moléculas.
Uno de los puntos centrales del trabajo de investigación de un químico es la
caracterización de las moléculas con las que trabaja. Sin lugar a dudas, la cristalografía de
rayos X es la técnica más poderosa para la determinación de la estructura de compuestos en
el estado sólido. La limitante más importante de la técnica es que se necesita de monocristales de buena calidad y de un cierto tamaño, para poder realizar el experimento con
éxito. Desafortunadamente, esto no es fácil en algunos tipos de muestra, entre las que se
encuentran muchas moléculas de interés biológico.
La utilización de radiación de sincrotrón, aunado a importantes avances tecnológicos en las
áreas de detectores y de cómputo, ha venido a revolucionar la técnica.
La posibilidad de utilizar un flujo de rayos X de gran intensidad, permite la medición de los
patrones de difracción de cristales de tamaño micrométrico; es decir, se pueden realizar
mediciones de muestras que tienen una décima parte del tamaño necesario para realizar el
experimento en condiciones convencionales. Esta característica es particularmente útil en la
caracterización de macromoléculas tales como proteínas cuya cristalización representa un
reto experimental. La alta intensidad también permite medir granos individuales de polvo,
que pueden ser manejados como monocristales.
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Así por ejemplo en el Departamento de Química del Cinvestav, se realizan actualmente
estudios de la interacción de algunas proteínas, o fragmentos de ellas, con iones metálicos
que pudieran estar involucrados en el desarrollo de enfermedades neuro-degenerativas. La
caracterización de estos compuestos en el estado sólido, no ha sido posible hasta ahora
debido a las dificultades de cristalización de las muestras para producir las muestras del
tamaño necesario para poder trabajar en un difractómetro. Una fuente de radiación de gran
intensidad sería muy útil en la caracterización de estos derivados lo que podría redundar en
una mejor comprensión de los procesos involucrados en el desarrollo de estas
enfermedades.
De la misma manera, la necesidad de muestras más pequeñas tendría un gran impacto en
otras áreas de la química como la química supramolecular y la nanotecnología, temas de
actualidad por su posible aplicación en la ciencia de materiales.
Además de la producción de haz de rayos X monocromático, altamente colimado con alta
intensidad; existen otras ventajas en el uso de radiación de sincrotrón. Una característica
muy ventajosa es que se puede ajustar el valor de la longitud de onda de la radiación,
ajustando el ángulo de salida del haz de rayos X con respecto al anillo del sincrotrón lo que
permite afinar el valor de la longitud de onda para alejarlo de los bordes de absorción de
algún elemento presente en el cristal para minimizar efectos de absorción. Por otro lado,
también se puede buscar cercanía a algún borde de absorción para maximizar los efectos de
dispersión anómala.
En algunos casos es muy útil poder realizar las mediciones utilizando valores pequeños de
longitud de onda. Este es el caso de medición de muestras a altas presiones ya que la
longitud de onda corta comprime el patrón de difracción, con lo que se resuelven las
limitaciones impuestas por las restricciones de apertura de las celdas de presión. Estos
experimentos son de gran importancia en el estudio de algunos materiales.
La radiación de sincrotrón que se genera en un LINAC como el propuesto es intermitente.
La duración e intervalos de aparición de estos pulsos están determinados por las
condiciones de operación del acelerador Sin embargo, la mayoría de equipos existentes dan
lugar a intervalos de 100 picosegudos a 300 nanoosegundos. Estos valores de períodos de
tiempo son del mismo orden de magnitud de los tiempos de vida de algunas moléculas en
estados excitados y por ello, la radiación de sincrotrón puede utilizarse para determinar la
estructura de algunas especies de vida media corta.
Un ejemplo de esta aplicación se encuentra en el estudio de fenómenos de fotoactivación.
En este fenómeno, una especie se transforma en otra mediante luz y con radiación de
sincrotrón, es posible determinar la estructura de algunas de estas especies activadas de
vida media corta. Esta aplicación se podría aplicar a arreglos supramoleculares, en donde la
variación de algún parámetro de activación (luz, calor, pH, etc) transforman la especie.
La radiación de sincrotrón también es útil en otras técnicas de caracterización
espectroscópica. Entre estas técnicas se encuentra el XANES, estructura por absorción de
rayos X cercano al borde, por sus siglas en inglés; que ha ayudado a a determinar
concentraciones muy pequeñas de algunos metales que podrían ser nocivos para la salud en
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diversas muestras. Otras técnicas basadas en absorción de rayos X también se han visto
beneficiadas por la utilización de radiación de sincrotrón lo que repercute en otras áreas de
la ciencia como el estudio, la conservación y restauración de obras de arte, debido a que,
con la intención de no dañar estas obras, normalmente se utilizan muestras muy pequeñas
y/o no destructivas.
Un ejemplo más de la utilidad de la radiación de sincrotrón en espectroscopía se encuentra
en la técnica de dicroísmo circular. Esta técnica es muy útil en la caracterización de la
conformación de proteínas. La introducción del sincrotrón, ha aumentado el poderío de la
técnica y ha sido utilizada para la identificación de puntos de mutación de proteínas. Como
es bien sabido, mutaciones en proteínas, pueden conducir a complicaciones clínicas graves
por lo que el conocimiento de los lugares específicos de mutación, representa una enorme
promesa en el estudio de las causas de varias enfermedades.
Por todo lo anterior, la disponibilidad de radiación de sincrotrón en México, representaría
una posibilidad enorme de profundizar diversos estudios de caracterización de diversos
compuestos y materiales.
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4. Antecedentes y Motivación
4.1 Antecedentes
4.1.1 México en los aceleradores del mundo
Desde los años setenta, grupos mexicanos establecieron colaboraciones a nivel
internacional con laboratorios que cuentan con complejos de aceleradores de partículas.
El grupo de física nuclear del Instituto de Física de la UNAM mantuvo una estrecha
colaboración con el Lawrence Berkeley Laboratory en California, Estados Unidos. Esta
colaboración perduró por muchos años.
El Fermilab creado en 1967 con el nombre de National Accelerator Laboratory
cambió su nombre en 1974 por el actual en honor a Enrico Fermi. Este laboratorio ha
contribuido mucho al avance del conocimiento en la física de partículas elementales. En él
se descubrieron los dos quarks más pesados: el quark beauty (belleza) en 1977 y el quark
top más recientemente, en 1995. Hace un par de años se observó de manera directa por
primera vez al neutrino del lepton tau.
A principios de los años ochenta, Clicerio Avilez, investigador de la UNAM que
después se fue al Instituto de Física de la Universidad de Guanajuato, junto con
colaboradores de diferentes universidades de Estados Unidos llevó a Fermilab un detector
que anteriormente había sido usado en Brookhaven (experimento BNL E766) para estudiar
la producción del hiperon omega al mismo tiempo que se probaba una nueva técnica para
procesamiento de datos. El experimento en Fermilab fue catalogado como E690 y ahí se
involucraron más tarde, los investigadores mexicanos más jóvenes del Instituto de Física de
la Universidad de Guanajuato: Julián Félix, Gerardo Moreno, Modesto Sosa y Marco A.
Reyes.
A comienzos de los años noventa un nuevo grupo de físicos del Departamento de
Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados - CINVESTAV -, fue aceptado
para trabajar en el experimento D0 del colisionador de protones y antiprotones Tevatron.
Asímismo un grupo del CINVESTAV se involucró en el experimento de blanco fijo E791
que se especializó en el estudio de la producción del quark pesado charm (encanto). Los
investigadores Heriberto Castilla y Gerardo Herrera Corral luego se dedicarían de manera
separada a cada uno de estos proyectos de manera respectiva.
El grupo del CINVESTAV del experimento E791 impulsó la formación de un nuevo grupo
mexicano en la Universidad de Puebla. En el marco del experimento E791, los doctores
Arturo Fernández Téllez y Eduardo Cantoral hicieron posdoctorados que les permitió
entrenarse en la parte experimental de la física de partículas en la que ya tenían un
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doctorado teórico. Esto les permitió luego formar un grupo experimental que se uniría al
mismo experimento E791.
Con el tiempo se incorporaron investigadores a otras instituciones del país. Estos a su
vez establecieron vínculos con el programa de blanco fijo de Fermilab. Un grupo de la
Universidad de San Luis Potosí formado por Antonio Morelos y Jurgen Engelfried se unió
al experimento SELEX. Un grupo de investigadores de varias instituciones con Eleazar
Cuautle (ICN UNAM), Alberto Sánchez (CINVESTAV) y Marco A. Reyes (IF-UGto) se
unió al experimento FOCUS de foto producción de harm. Un grupo más de la Universidad
de Guanajuato formado por Gerardo Moreno y Julián Felix se unió al experimento
HyperCP. Al mismo tiempo el grupo de la Universidad de San Luis Potosí, A. Morelos a J.
Engelfried, se unió al proyecto CKM – Charged Kaons at the Main inyector - .
El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares CERN por sus singlas en francés
(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire ) fue fundado en 1954 en Ginebra, Suiza,
como una organización europea en la que varios países contribuyen al financiamiento del
laboratorio de investigación científica. Entre los grandes logros del CERN se encuentran el
haber logrado por primera vez en 1971 la colisión de haces de protón, el descubrimiento de
las corrientes neutras en 1973, el enfriamiento estocástico en 1978, el descubrimiento de la
cámara multi- alámbrica y proporcional en 1968, el descubrimiento de los bosones Z y W
en 1983 y más recientemente el desarrollo de la World Wide Web en 1990.
En el CERN trabaja hoy el grupo más grande de mexicanos en experimentos con
aceleradores. El grupo está formado por investigadores de varias instituciones: Guillermo
Contreras, Gerardo Herrera Corral y Luis Manuel Montaño del CINVESTAV, Rubén
Alfaro, Ernesto Belmont, Varlen Grabski, Arnulfo Martínez, Arturo Menchaca y Andrés
Sandoval del Instituto de Física de la UNAM, Eleazar Cuautle, Guy Paic del Instituto de
Ciencias Nucleares de la UNAM, Pedro Podesta, Ildefonso León Monzón y Ramón Gómez
de la Universidad de Sinaloa y Arturo Fernández, Mario Iván Martínez, Andrea Vargas y
Sergio Vergara de la Universidad de Puebla. Este grupo colabora en el experimento ALICE
(A Large Ion Collider Experiment) del acelerador LHC (Large Hadron Collider).
Este grupo ha participado en la construcción del detector ALICE contribuyendo a dos de
los sistemas del experimento: el detector V0 y el detector de rayos cósmicos.
Recientemente un grupo formado por Heriberto Castilla, E. de la Cruz, Ricardo López
A. Sánchez, E (CINVESTAV), Antonio Morelos (IF UGo), Salvador Carrillo y Fabiola
Vázquez (U. Iberoamericana), Humberto Salazar (BUAP), Luis Villaseñor (UMSNH), se
ha incorporado al experimento CMS (Compacto Muon Solenoid) del Large Hadron
Collider.
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CERN:
CMS, AMS, ALICE, RD51, NA62
Fermilab:
D0, E791, FOCUS,SELEX,CKM,HyperCP
Distribución de instituciones en el país con grupos activos en laboratorios con aceleradores.
El círculo más grande en la Ciudad de México refleja un número grande de instituciones.
4.1.2 Los aceleradores en México
En los años 40’s Manuel Cerrillo desarrollaba su Transformador Gemelo Tesla en el
Instituto Politécnico Nacional. Con esto se investigaba en México por primera vez métodos
de aceleración de partículas cargadas. Manuel Cerillo intentaba obtener haces de partículas
de alta energía usando un generador electrostático van de Graeff. Estos trabajos no se
detuvieron en 1942 cuando Manuel Cerrillo se fue al Massachussets Institute of
Technology - MIT en donde permaneció como Profesor Titular hasta su retiro.
Aun desde MIT, Manuel Cerrillo continuaba interesado en el proyecto y en septiembre de
1948, el Ing. Manuel Ramírez Caraza informó al Director General del I. P. N. que en
Allende 38, dirección en la que se encontraba la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica en el Centro Histórico se había medido cerca de 15 millones de voltios. El
proyecto que se desarrollaba en el Laboratorio de Física de la ESIME tenía el objetivo de
acelerar partículas cargadas para la investigación nuclear.
19
Transformador gemelo tesla. Experimento realizado en Allende 38 México D. F., en los anos 40s,
Manuel Cerillo Valdivia (ESIME-IPN)
Manuel Ramírez Caraza (ESIME-IPN)
En 1952, el Instituto de Física de la UNAM recibió sus nuevas instalaciones en Ciudad
Universitaria. El presidente Adolfo Ruiz Cortines inauguró los nuevos laboratorios de
20
Física Nuclear. El Instituto había comprado un acelerador van de Graaf de 2 MeV con el
que un grupo dirigido por Marcos Mazari inició sus trabajos de investigación en colisiones
nucleares de baja energía.
En 1964 se compró para el Centro Nuclear de Salazar que más tarde sería el Instituto
Nacional de Investigaciones Nucleares – ININ -, un acelerador Van de Graeff Tandem. En
1968 se realizaron las primeras pruebas de funcionamiento del acelerador.
Las actividades de estas instituciones en el área de aceleradores han sido muy intensas.
En la siguiente cronología se puede ver de mejor manera el curso de los acontecimientos:
1942.- El Dr. Manuel Cerrillo inició en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica (ESIME) del IPN el proyecto de “Generador Gemelo Tesla” con el
objetivo de lograr alta tensión para su aplicación en aceleradores electrostáticos.
1948.- El Dr. Manuel Ramírez Caraza logra generar 15 millones de voltios en el laboratorio
de Física de ESIME-IPN.
1952.- Se inicia la investigación experimental en Física Nuclear, con la adquisición del
primer acelerador de partículas Van de Graaf de 2 MeV en el Instituto de Física,
UNAM.
1956.- Se miden reacciones transversales de neutrones en México, utilizando el acelerador
Van de Graaf y equipo desarrollado por los investigadores mexicanos.
Se inicia la construcción de un acelerador Van de Graaf de 0.5 MeV para electrones
en la Universidad de Guanajuato, para estudios de radiólisis.
1963.- Se adquiere el acelerador de partículas Dinamitron para el Instituto de Física de la
UNAM, con el fin de ampliar los estudios experimentales en Física Nuclear.
1964.- Se cambia el acelerador Van de Graaf de 2 MeV del Instituto de Física de la UNAM
a electrones, para iniciar estudios de química con radiadores.
1967.- Se ponen en operación el acelerador Van de Graaf de partículas Tandem de 12 MeV
en el Centro Nuclear de Salazar.
1978.- Se inicia el Programa de Implantación de Iones, en el Instituto de Física de la
UNAM.
1979.- Se cambia el acelerador Dinamitron del Instituto de Física de la UNAM a electrones,
para estudios y aplicaciones de la tecnología de irradiación.
1984.- Se instala el acelerador de partículas Van de Graaff de 5.5 MeV en el Instituto de
Física de la UNAM.
1986.- Puesta en operación del espectrómetro de tiempo de vuelo en el laboratorio del
21
acelerador Van de Graaf Tandem.
Puesto en operación del acelerador de electrones Pelletron en el ININ para estudios
de efectos de la radiación en materiales y de radiólisis.
1995.- Se instala en el IFUNAM un acelerador de partículas Pelletron de 3.0 MeV.
2007.- Se presentó el proyecto 55329 de acuerdo con la Convocatoria de ideas de
Megaproyectos de CONACyT - 2006 con el Título: Desarrollo de Aceleradores de
Partículas: Fuente de Luz Sincrotrón
4.2 Motivación
La introducción de un acelerador de radio frecuencia lineal de electrones de 100 MeV
no sólo representa la primera etapa de construcción de una fuente de luz de sincrotrón, es
además un dispositivo de interés por sí mismo y una herramienta útil para muy diversos
temas de investigación.
El acelerador lineal ofrece la generación de luz sincrotrón en lo que sería la primera
línea para uso experimental en el país.
Asímismo proporciona un haz de electrones de calidad para estudios de litografía con
electrones, radiografía industrial, irradiación de materiales y nueva técnicas de aceleración
entre otros.
Un haz de electrones de 100 MeV como el que se propone resulta excelente para la
generación de neutrones que son de gran interés como herramienta de investigación de
materiales.
La instalación de un LINAC modificará fuertemente la manera como se lleva a cabo la
investigación científica en general e influenciará decisivamente en la calidad y la cantidad
de investigaciones en nuestro país. Al mismo tiempo esta etapa permitirá formar los
recursos humanos capaces de operar dispositivos cada vez más complejos y eventualmente
una fuente de luz sincrotrón que cuenta con dos etapas más de aceleración.
4.2.1 Fuente Mexicana de Luz de Sincrotrón - 1ª Fase
Una fuente de luz sincrotrón está formada por varias componentes. En esta propuesta
planteamos la posibilidad de desarrollar el proyecto en fases. El acelerador lineal del
sistema de inyección representa no sólo el punto de inicio del proceso de generación de luz,
es además una componente que contiene todas las tecnologías del resto del complejo de
aceleradores. Esta componente es una pieza esencial en el entrenamiento de los grupos de
operación de una fuente de luz sincrotrón. Mas aún, el LINAC permite desarrollar
proyectos con haces de electrones al mismo tiempo que ofrece la posibilidad de producir
una línea de luz sincrotrón y también la de generar neutrones para uso experimental.
Con esta fase se podría pensar en el desarrollo de proyectos de investigación que arrojen
resultados tendientes a fortalecer los siguientes pasos de desarrollo.
22
LINAC
Booster
Anillo de
Almacenamiento
Secciones
Rectas
Inyección
Componentes de una fuente de luz de sincrotrón. El proceso de producción de luz se inicia en el LINAC
o acelerador lineal donde se generan los electrones y se les proporciona la energía inicial antes de pasar
al anillo impulsor. En el anillo impulsor los electrones alcanzan la energía final para pasar al anillo de
almacenamiento donde se genera la radiación para su uso experimental.
23
Anillo de almacenamiento
El anillo contiene a los electrones con una energía de 3.0 a 3.5 GeV – típica para el
caso de una fuente de luz sincrotón de tercera generación - en una cámara de vacío después
de que éstos han sido inyectados.
El anillo de almacenamiento consiste de una red de magnetos dipolares que mantienen al
haz en su trayectoria circular. Es en estos dipolos donde el haz de electrones es desviado de
su trayectoria emitiendo radiación de sincrotrón.
Detalle del anillo de almacenamiento de una fuente de luz de sincrotrón.
El haz que tiene una estructura intermitente debe conservar sus propiedades para lo que es
necesario incorporar dispositivos ópticos que enfocan al haz en la dirección horizontal y
vertical alternadamente. Estos dispositivos ópticos son cuadrupolos y sextupolos.
La recuperación de la energía perdida en cada vuelta de los electrones se lleva a cabo con
cavidades de radiofrecuencia.
Un acelerador moderno deberá incluir por lo menos un dispositivo de inserción que permite
aumentar la brillantez del haz de manera considerable.
Finalmente, están las líneas que llevan la luz de sincrotrón hasta los experimentos.
Los magnetos dipolares son parte esencial del anillo de almacenamiento y es una parte del
acelerador donde seguramente podrían trabajar muy intensamente físicos e ingenieros
mexicanos. El diseño de la construcción de prototipos puede ser hecho en las instituciones
participantes. La producción masiva una vez terminado el diseño puede ser transferido a
alguna industria mexicana aunque esta parte deberá estudiarse a mayor detalle en caso de
que la propuesta tenga éxito.
24
La cámara de vacío del anillo de almacenamiento es otro de los aspectos del proyecto
donde la contribución mexicana puede ser muy importante. Existe experiencia en algunas
de las instituciones participantes en este renglón.
El anillo de almacenamiento debe llevar un módulo de cavidades de radiofrecuencia que
tiene como función el proporcionar la energía que los electrones pierden en cada vuelta al
emitir la radiación.
Las cavidades operan a la temperatura del Helio Líquido a una frecuencia de resonancia de
499.654 MHz. Esta parte del acelerador podría ser construida por alguna compañía con
experiencia en el ramo de los aceleradores de radiofrecuencia
Anillo impulsor
Esta estructura de cavidades de radio frecuencia consiste de cinco celdas (no
superconductoras) que proporcionaran la energía necesaria a los electrones para llevarlos
de 100 MeV que tienen a la salida del acelerador lineal típicamente, hasta una energía de 3
GeV del anillo de almacenamiento.
Las cavidades están formadas por 6 discos y 5 cilindros en una estructura de 1650 mm y el
centro nominal del haz a 1400 mm sobre el nivel del piso. El arreglo general de los
elementos se muestra en la figura abajo.
Linac
(100 MeV)
impulsor
(3 GeV)
Anillo almacenador
líneas de haz
Anillo impulsor para una fuente de luz sincrotrón de tercera generación.
25
En esta sección nos referimos “booster” como un el elemento de cavidades que eleva la
energía del haz. Este es el elemento central del anillo “booster” o impulsor. La mayor parte
del anillo consiste de magnetos que conservan al haz en su órbita y con la calidad deseable.
Sistema de inyección
Otra componente del acelerador es el sistema de inyección que consiste a su vez de
una fuente de electrones, un acelerador lineal y diversos dispositivos que permiten
transportar a los electrones al anillo de almacenamiento.
Sistema de inyección integrado a la fuente de luz de sincrotrón
Acelerador Lineal LINAC
El acelerador lineal es la primera pieza del complejo de aceleradores de una fuente de luz
sincrotrón. Como tal, el LINAC es el acelerador que define en buena medida los
parámetros de la fuente de luz en su totalidad.
El acelerador lineal está formado por varias componentes que integran las tecnologías de
los aceleradores subsecuentes. Es por eso una pieza clave para entrenar, entender y diseñar
el impulsor y el anillo de almacenamiento.
26
El inyector LINAC o acelerador lineal conectado al acelerador impulsor que a su vez se conecta con el
anillo almacén.
cavidad de
empaquetamiento
celdas
resonantes
ess
cañón de
electrones
s
Instrumentos de preparación del haz de un LINAC.
27
4.2.2 Impacto Científico y Tecnológico en la formación de personal
Las aplicaciones derivadas de un haz de electrones de 100 MeV son muy variadas y
su impacto se deja sentir en una amplia gama del quehacer científico y tecnológico.
Las consecuencias tecnológicas más significativas generadas en el país por un
proyecto de este tipo son:
•
•
•
•
•
•
Aceleradores lineales, tecnología de radiofrecuencia
Electroimanes, control de haces, mecanismos de inyección parte fundamental para
el desarrollo de competitividad en aceleradores de partículas
Sistemas de vacío: uso en gran escala de sistemas de vacío es indispensable. La
industria electrónica, metalúrgica y médica se beneficiará significativamente de los
desarrollos técnicos en esta área.
Tecnología de bajas temperaturas.
Instrumentación científica. El laboratorio exige uso en gran escala de
instrumentación de detectores, sistemas de control y comunicaciones.
Aplicaciones de la investigación en materiales con propiedades novedosas.
El aspecto más fundamental de un proyecto de esta magnitud es el impacto en la
formación de personal altamente calificado en todos los aspectos de la tecnología de
aceleradores que hemos listado aquí.
El acelerador lineal tendrá una gran influencia para la educación y la formación de las
generaciones futuras de ingenieros, físicos y técnicos de alto nivel.
La variedad de disciplinas científicas que están simultáneamente involucradas en las
técnicas de investigación brinda automáticamente un ambiente multidisciplinario con
colaboraciones internacionales en investigación e innovación de frontera.
4.2.3 El caso para un LINAC
Un acelerador lineal de electrones representa una herramienta de propósitos múltiples. El
laboratorio equipado con esta máquina ofrece la posibilidad de crear haces de neutrones,
asímismo se puede generar luz de sincrotrón y de manera más directa y sin accesorios
adicionales proporciona un haz de electrones de gran calidad.
Los temas de investigación potencial con el uso de acelerador lineal son pues muy
variados.
•
•
•
•
•
•
•
Generación de luz Sincrotrón en el ultravioleta para uso experimental.
Nuevas tecnologías de aceleración con láser y por estela de campo
Efectos de irradiación de materiales con electrones
Generación de neutrones para el estudio de materiales
Haz de prueba para el desarrollo de detectores de radiación
Aplicaciones médicas en la terapia con neutrones por captura o irradiación directa
… etc
28
Generación de neutrones
El acelerador lineal de electrones de 100 MeV es un excelente generador de neutrones.
Mediante la colocación de un blanco adecuado se puede generar un haz pulsado de
neutrones en un amplio espectro de energías. En laboratorios como Oak Ridge Nacional
Laboratory se logra producir haces de neutrones de hasta 1011 neutrones por pulso con un
blanco de Tantalio y el uso de un acelerador lineal de Electrones de 180 MeV.
Producción de neutrones por espalación
Radiografía de neutrones así como terapia por captura de neutrón-boro son solo algunos de
los temas de interés alrededor de una fuente de neutrones.
El uso terapéutico de los neutrones requiere del cumplimiento de varias condiciones. Los
neutrones deben penetrar el tejido para alcanzar el tumor y el flujo debe ser alto para
reducir los tiempos de exposición. Una técnica de irradiación con neutrones es la llamada
BNCT Boron Neutron Capture Treatment. El boro captura neutrones térmicos (energía
menor a 10 MeV) y emite partículas alfa y núcleos de litio que tienen un camino medio
corto en el tejido biológico.
Luz Sincrotrón
Con un haz de electrones de 100 MeV es posible generar luz de sincrotrón. La radiación
que emite un haz de electrones al atravesar un dipolo magnético se caracteriza por la
energía crítica ε c que se define como la energía que separa en dos mitades el espectro
de potencia radiada. La energía crítica de la radiación de un dipolo magnético está dada
por:
ε c [kev] = 0.665E 2 [GeV ]B[TeV ]
29
Si consideramos un dipolo de 0.5 tesla, la energía cíitica de la radiación generada será
ε c [keV ] = 3.3eV , es decir luz ultravioleta con una longitud de onda λ = 400nm
Si el campo dipolar es de 1.5 tesla, entonces podríamos tener ε c = 10eV que permite
definir estructuras de 100 nm.
Aunque no se trate de un gran poder de definición microscópica si ofrece la posibilidad de
iniciar estudios experimentales que permitan adquirir experiencia en la producción de luz,
la operación de los dispositivos y su potencial utilidad.
Generación de luz sincrotrón con un magneto bipolar al final del LINAC
La luz generada ofrece la posibilidad de hacer espectroscopía ultravioleta útil en la
identificación de grupos funcionales de moléculas o en la traza de metales en aleaciones así
como en la determinación de la concentración de medicamentos que puedan llegar a
diferentes partes del organismo.
Más aún que las posibles aplicaciones de la luz que se genere está el hecho de que esto
permite entrar en contacto con toda la tecnología de una fuente de luz sincrotrón. Producir
luz en el laboratorio mexicano nos permitirá pues iniciar un proceso de aprendizaje y
desarrollo de tecnología que es indispensable para desarrollos ulteriores de un sistema más
complejo.
Haz de electrones
Un haz de electrones de calidad nos permitirá incursionar en una de las áreas de
investigación más activas y prometedoras de la actualidad, a saber, nuevas técnicas de
aceleración.
Como ya hemos visto, los aceleradores se usan para muchas cosas. La generación de rayos
X es una de las aplicaciones más visibles pero en realidad están también en los hospitales
en el tratamiento de cáncer, en la industria alimenticia, de cosméticos irradiando sustancias
y en la industria de tratamientos industriales entre otros muchos.
30
Por todo esto, el desarrollo de aceleradores más potentes y eficientes es una de las
vertientes de desarrollo tecnológico donde México debe entrar.
Los físicos especializados en la investigación y desarrollo de aceleradores hablan de
gradientes de aceleración. Esta es la energía que gana una partícula por unidad de longitud.
Las tecnologías actuales permiten gradientes de hasta 30 mega electrón volts por metro.
Esto significa que se requiere de un acelerador con 30 kilómetros de longitud para llevar a
las partículas - por ejemplo, electrones - a una energía de 900 Giga electrón volts. Un túnel
con 30 Kms de longitud no es impensable. El túnel que atraviesa al Mont Blanc en los
Alpes suizos tiene 12 Km. de longitud y el que alberga al Gran Colisionador de Hadrones
muy cerca de ahí tiene 27 Kilómetros de perímetro. De hecho estas son las dimensiones del
proyecto de construcción del Acelerador Lineal que mencionamos en la introducción. Esta
es también la energía que se proyecta para este acelerador.
Los aceleradores actuales funcionan con campos eléctricos generados en cavidades de
radiofrecuencia. Estas cavidades hechas de niobio y enfriadas al grado en el que el niobio
se vuelve superconductor, tienen límites absolutos mas allá de los cuales los campos se
vuelven inestables. Por arriba de estos límites se originan chispas eléctricas y descargas en
la cavidad que puede incluso llegar a fundirse. En el proyecto de acelerador lineal se
usarán estas cavidades superconductoras. Para lograr el gradiente necesario se debe pulir
estas cavidades con métodos muy sofisticados. Este pulido fue la clave para hacer de las
cavidades superconductoras de niobio la tecnología a usar en el proyecto del acelerador
lineal.
Habiendo llegado al límite físico de las cavidades, la única posibilidad de lograr mayores
energías con el uso de esta tecnología es construyendo aceleradores más largos. Sin
embargo, un túnel de 30 kilómetros de longitud es ya de tamaño considerable y pensar en
algo significativamente mejor, - como por ejemplo, energías diez veces mayores - nos
llevaría a un túnel de 300 kilómetros. Con esto si estamos ya en serias dificultades y resulta
claro para los físicos que éste no es el camino.
Es por eso que los laboratorios de altas energías han estado buscando nuevas formas de
acelerar partículas cargadas y ahora parece claro cual será el futuro.
El futuro de la física experimental de altas energías está en los llamados aceleradores de
estela de campo. Estos aceleradores consisten de una sopa de gas ionizado a través del
cual se hace pasar un haz de electrones para crear una estela. Una vez creada la estela, los
electrones que viajan en la parte posterior del haz son acelerados al entrar en la onda que
los electrones frontales generan.
El efecto es muy parecido al que ocurre cuando un barco en movimiento deja una estela en
el agua generando olas. Los electrones entonces son como surfistas que se montan en estas
olas para ser acelerados.
Los primeros éxitos con el uso de plasmas en cavidades de aceleración son ya una realidad.
Se ha logrado probar el principio de aceleración en plasmas a la escala de milímetros en los
que se logran gradientes de hasta 100 Giga electrón volts. Esto es más de 1000 veces mayor
a lo que se consigue con las tecnologías actuales.
Este incremento dramático en los gradientes de aceleración está en vías de extenderse a la
escala de metros, lo que abre la posibilidad de una nueva generación de aceleradores.
31
Con esta nueva tecnología de plasmas se podrán construir aceleradores de mesa que
vendrán a revolucionar la tecnología. Al mismo tiempo los nuevos aceleradores nos
llevaran a un dominio considerablemente mas profundo en el estudio de la estructura de la
materia.
Un plasma es un gas en el que los átomos se han roto. Es decir, que los electrones han sido
separados de los núcleos atómicos de tal forma que núcleos con carga positiva y electrones
se mueven libremente.
En condiciones normales los átomos que nos rodean pierden electrones de vez en cuando
pero los recupera pronto o atrapa otro para estabilizarse inmediatamente.
Las lámparas fluorescentes contienen un plasma a base de vapor de mercurio o de otros
elementos como neón o argón. Estas lámparas son en cierta forma un plasma que todos
podemos ver. Cuando se lo somete a una diferencia de potencial los electrones se separan
de los átomos formando un plasma iluminado. En realidad las lámparas de mercurio
generan luz ultravioleta (UV) y es por eso que el interior del tubo se cubre con un material
que emite luz visible al absorber la luz UV que no podemos percibir con el ojo humano.
Esta cubierta es la que hace que los tubos se vean blancos cuando están apagados.
En el Stanford Linear Accelerator Center de los Estados Unidos se pretende construir un
acelerador de plasma a la escala de 1 metro. Una cámara con esta longitud se llena con
gas de litio. El litio es sólido a temperatura ambiente así que unos gramos de este elemento
se calientan a 600 grados Celsius para producir un gas con 100 billones de átomos por
centímetro cúbico. Un láser se encarga luego de ionizar el gas par producir el plasma que
contiene el mismo número de electrones que de iones cargados positivamente.
Ya con el plasma de litio presente, el haz del acelerador lineal del laboratorio que
actualmente tiene una longitud de 3 kilómetros, es usado para inyectar un paquete de
electrones al gas. El paquete de electrones tiene una longitud de 0.6 mm y una área
transversal de aproximadamente 0.04 mm. La carga del paquete de electrones expele a los
electrones del plasma generando oscilaciones que son consecuencia de la fuerza
restauradora de los iones positivos. Los campos que se generan producen una aceleración al
paquete que es órdenes de magnitud mayor que la aceleración en cavidades resonantes
convencionales.
Los electrones en la parte frontal del paquete pierden energía al ceder a los electrones del
plasma el movimiento que genera los campos oscilantes en el gas de iones. Sin embargo,
los electrones en la parte posterior del paquete experimentan una aceleración.
El acelerador de Stanford ya logró un haz de electrones con 4 GeV en solo 10 centímetros.
Esto se puede obtener en un acelerador convencional con un tramo de 200 metros.
La idea del proyecto es lograr un gradiente de 1 Giga electrón volt por metro manteniendo
la calidad del haz. De ser posible, un acelerador con esta tecnología reduciría la longitud
del acelerador lineal de electrones de 30 kilómetros que mencionamos arriba a solo 900
metros. Por supuesto para que esto sea posible será necesario resolver una buena cantidad
de problemas de ingeniería. Los expertos piensan que esto se llevara aún varios años de
investigación y desarrollo.
32
En el primer cuadro se muestra un plasma hecho de iones positivos y electrones libres antes
de que entre un paquete de electrones. En el segundo cuadro, el paquete de electrones entra en
el plasma haciendo que los electrones del mismo se alejen y que los iones positivos se
acerquen al paquete. El paquete de electrones en movimiento deja atrás de sí una estela de
iones positivos. En el tercer cuadro se observa como los electrones que fueron repelidos por el
paquete se acercan luego atraídos por la carga positiva de los iones en la estela. En esta
nueva posición los electrones del plasma aceleran a los electrones en la parte posterior del
paquete.
La tecnología tiene variantes. Una de ellas es la de utilizar un láser para producir la estela.
La luz está hecha de campos electromagnéticos pero aunque éstos son muy fuertes están
siempre orientados en la dirección perpendicular a la dirección deseada de propagación de
la misma. Estos campos serían efectivos si estuvieran en la dirección de propagación del
haz de electrones que queremos acelerar, pero esto no ocurre. Aún así la interacción de la
luz con el plasma crea campos eléctricos que aceleran a los electrones.
En muchos laboratorios del mundo, se investigan estas técnicas. Recientemente, grupos en
Inglaterra, Francia y Estados Unidos lograron pulsos muy coherentes de electrones con
longitudes de solo 10 femtosegundos ( 10 −14 segundos), los más cortos jamás producidos.
Estos pulsos son ya una realidad y pueden ser dirigidos a una superficie de metal para
producir pulsos de rayos X ultra cortos lo que a su vez ofrece un potencial enorme para el
estudio procesos químicos y biológicos.
33
5. Líneas de acción institucionales y de la red
temática que justifiquen la adquisición del equipo
5.1
Física Médica
En el Departamento de Física del Cinvestav se desarrolla un proyecto de imaginología de
rayos X. Para esto se cuenta con un tubo de rayos X Bede microfocus con ánodo de Mo y
ventana de Berlio.
Arreglo experimental de rayos X para la obtención de imágenes medicas
La meta del proyecto es desarrollar nuevas técnicas de radiografía y en particular la
obtención de imágenes radiográficas por contraste de fase. La instrumentación necesaria
existe en el laboratorio y un equipo de técnicos, estudiantes e investigadores tiene el
entrenamiento para trabajar en la obtención y tratamiento de imágenes médicas.
34
Este equipo material y humano se verá muy beneficiado con una ampliación de miras con
herramientas más poderosas que aumenten el potencial de las técnicas usadas.
Imagen digital de una biopsia de mama obtenida con el tubo de rayos X
35
5.2
Estudios de aceleración de electrones
Con el uso de un cañón de electrones de hasta 10 KeV hemos dado inicio al estudio de
mecanismos de aceleración de electrones.
100eV to 10keV
Beam current/ Spot sizes:
10nA to 100µA / 0.5 to 25mm,
1nA to 10µA / 60µm to 10mm,
1µA to 1mA / 1.5 to 25mm
Beam align adjustable while operating
Deflection, Pulsing, Rastering, Blanking
2¾CF Mounted
Cañón de electrones EMG3101
El cañón de electrones obtenido con el apoyo de la Red de Física de Altas Energías de
CONACYT así como con fondos departamentales esta en proceso de montaje. Contamos
además con un detector de electrones de silicio. La infraestructura nos permite entrenar
estudiantes en el uso de radiaciones y estimula el estudio de las aplicaciones de haces de
electrones.
5.3 Diagnóstico de haz
Durante los últimos 17 años un grupo de mexicanos de diferentes instituciones mexicanas
participa en el experimento ALICE del Gran Colisionador de Hadrones. El Gran
Colisionador de Hadrones es sin duda el acelerador más avanzado hoy en día. Después de
haber diseñado y construido dos detectores para el experimento ALICE estamos trabajando
36
en el diseño y construcción de un nuevo sistema de diagnóstico de haz. Para esto hemos
construido un prototipo con detectores de centelleo que se encuentra instalado en la caverna
desde hace tiempo.
El sistema instalado y en proceso de validación proporciona información paquete por
paquete sobre las condiciones de ruido en el haz de protones. El sistema ha mostrado tener
una gran sensibilidad y buena resolución temporal.
Detector instalado en julio 20 de 2010 en el Gran Colisionador de Hadrones
Para diagnosticar la calidad del haz y determinar niveles de radiación.
El proyecto involucra una serie de técnicas de detección que pueden ser trasportadas a la
medición de radiaciones en otros ambientes.
37
Respuesta del detector (derecha) a los cambios del haz de protones (izquierda) del Gan Colisionador de
Hadrones CERN. La línea azul a la izquierda muestra el proceso de inyección de protones con cambios
en la corriente.
5.4 Implementación de Sistema de Dispersión de Ángulos Pequeños
Un sistema de dispersión de ángulos pequeños está siendo montado en laboratorios del
Cinvestav. La infraestructura está al servicio de las instituciones participantes que a su vez
forman parte de la Red – CONACYT de materia blanda.
Arreglo experimental del SAXS
38
En el sistema se entrenan ya investigadores y estudiantes en una técnica que es
ampliamente utilizada en fuentes de luz sincrotrón. Para su montaje se ha contado con el
apoyo del sistema de Redes CONACYT.
5.5 Formación de recursos humanos
La formación de recursos humanos está en camino. El Maestro en Ciencia Humberto
Maury Cun del Departamento de Física Aplicada del Cinvestav en Mérida trabaja en su
doctorado en el área de aceleradores bajo la supervisión del Dr. Frank Zimmerman
(CERN). Su tema de tesis es el estudio y diseño de un acelerador para colisionar
electrones contra protones con base en el Gran Colsionador de Hadrones.
Por otra parte el M.en C. Bruce Yee Rendon desarrolla su tesis doctoral también bajo la
dirección del Dr. Frank Zimmerman (CERN) trabajando en aspectos de protección del
acelerador con el uso de cavidades cangrejo. Este es un proyecto que pretende incrementar
la luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones del CERN.
En fechas más recientes Christian Alfonso Valerio dió inicio al trabajo de investigación de
su doctorado. Su tema de tesis es el diseño de una fuente de iones para la actualización del
LINAC del Gran Colisionador de Hadrones.
Dentro de poco tiempo tendremos una comunidad de investigadores en el área de
aceleradores con experiencia en temas de frontera.
39
6. Infraestructura e instalaciones
La estabilidad mecánica debe ser estudiada con cuidado a fin de diseñar la plataforma
donde se colocará el LINAC. Un área rectangular con una longitud de aproximadamente
20 metros es la que representa mayor sensibilidad en términos de desplazamientos del
terreno así como vibraciones.
En cuanto a vibraciones, es conveniente mencionar que la mayoría de los sitios donde se
encuentran los laboratorios del mundo están lejos de las condiciones ideales. Algunos
laboratorios están en la mitad de las ciudades donde el tráfico es intenso. Otros incluso
cerca de autopistas. En todo caso y como primera aproximación buscamos un terreno
alejado de perturbaciones mayores como las que se producen en minas o excavaciones
donde se usen explosivos frecuentemente.
El edificio es parte integral del acelerador. Los requerimientos fundamentales están en
dados términos de estabilidad mecánica, térmica y eléctrica. Considerando que el LINAC
propuesto es una etapa en el desarrollo de una Fuente de Luz Sincrotrón la institución que
albergue el equipo lo hará de manera temporal. En ese sentido el interés por estabilidad se
refiere solo a aquella de mediano plazo (i.e. diaria).
La estabilidad a corto plazo (instantánea) puede ser perturbada por vibraciones
aleatorias del terreno causadas por actividad humana en las inmediaciones del acelerador o
por agentes externos que generen ondas planas que se propaguen por el terreno.
Esta estabilidad se logra a través del diseño del sistema de suspensión (Griders) y un
sistema de monitoreo y control de retroalimentación rápido que corrige la órbita de haz
(Fast Orbit FeedBack). Las tolerancias son del orden de o menor que un micrón.
Otro aspecto importante es la estabilidad de temperatura al interior del edificio que
alberga el acelerador. Típicamente se espera que los cambios no sean mayores a un grado
centígrado. La instalación deberá estar equipada con lo necesario para asegurar control de
humedad así como cambios de temperatura. En general cambios de temperatura se
controlan mediante sistemas lentos que monitorean y controlan al acelerador: cámaras de
vacío, enfriamiento por agua, aire acondicionado etc.
Las necesidades de potencia del complejo están el rango de las de una institución de
investigación con equipos de laboratorio.
La institución receptora debe poner a la disposición del laboratorio el acceso a talleres
mecánicos, eléctricos, y áreas de almacenamiento así como una planta de enfriamiento.
El laboratorio deberá contar con tanques de nitrógeno líquido para los laboratorios y las
líneas de experimentación, así como aire comprimido y agua desmineralizada.
40
En el país varias instituciones cuentan con instalaciones que satisfacen los
requerimientos mecánicos. Un estudio serio entre las instituciones participantes nos dirá
cual es la mejor opción para instalar y operar el LINAC.
6.1 Requerimientos de infraestructura para el sitio de instalación del LINAC
Las obras civiles de una facilidad de una Fuente de Luz Sincrotrón son grandes en
extensión y requerimientos. Las estimaciones dependen del edificio principal que alberga al
anillo principal que a su vez dependerá del diseño de la máquina. Además requiere edificios
administrativos y un área mínima para una posible expansión. En el caso del LINAC se
requiere además del edificio que alberga la máquina, un cuarto de control y un edificio
administrativo (taller y laboratorio).
Además de los requerimientos básicos de la instalación (agua, potencia eléctrica y
enfriamiento) que serán especificados en este mismo documento hay dos aspectos
determinantes a ser considerados en la construcción del edificio que albergará el inyector:
Estabilidad ante Vibraciones y Blindaje Radioactivo.
A continuación se desarrolla una estimación basada en estudios de Fuentes de Luz de
Sincrotrón que actualmente se encuentran en operación (ALBA y MAXII).
El área total requerida con las especificaciones que a continuación se detallarán es de un
mínimo de una superficie rectangular de 20m por 3m.
6.1.1 Blindaje Radioactivo
Las pérdidas de electrones más grandes que se pueden dar en una fuente de luz de
sincrotrón ocurren en el transporte del LINAC a la segunda etapa de aceleración. Esto se
debe a que es la primera desviación de trayectoria que experimenta el haz.
Hay diversas maneras de hacerlo y la más conservadora es la que fue adoptada por ALBA.
El LINAC se encuentra en un bunker que está a una mayor profundidad que el anillo
secundario y el principal, por ello el haz tiene que ser desviado hacia arriba. Usamos este
ejemplo porque el LINAC de ALBA es de 100 MeV al igual que el de la propuesta.
Tenemos que señalar además que en el caso específico de esta propuesta, es posible que
durante algún tiempo no exista la etapa de transporte, es decir, que el LINAC mismo será la
última etapa de aceleración. Esto permitirá, de ser necesario, relajar los requerimientos de
blindaje.
La idea primaria de este tipo de facilidades es limitar la dosis del personal a menos de 1
mSv/y que es el límite público internacional y siempre en el caso de operación a máxima
potencia. Para encontrar los parámetros del blindaje se llevan a cabo 3 etapas de diseño:
estimación, simulación y medición.
Estimación de blindaje
En el caso de pérdida de electrones hay 3 tipos de radiación principalmente:
Bremsstrahlung y la producción de neutrones por activación a diversas energías. Para esta
41
clase de radiación ya existe una extensiva medición de las longitudes medias de absorción
para diversos materiales. En la siguiente tabla se muestran los valores de las longitudes de
atenuación en centímetros para plomo, fierro, concreto pesado, concreto, polietileno y tierra
para la radiación producida en la pérdida de electrones.
Para el caso de ALBA se tomaron medidas extremadamente conservadoras, se utilizan
paredes de 1m de espesor de concreto pesado y para el techo 1m de espesor de concreto
normal. En el caso de MAXII los espesores son más moderados y entre el concreto y la
tierra se tiene una capa aislante para impedir la entrada de agua en el concreto. La vista
transversal del bunker del LINAC de MAXII se ve de forma esquemática en la figura.
42
Sección transversal del bunker del LINAC de MAXII
Estudios de Simulación
La estimación puede y debe ser verificada por simulación. Es posible definir de manera
muy precisa los volúmenes y materiales dentro y alrededor del bunker. También se pueden
determinar con buena precisión los principales puntos de pérdida. Con esos dos elementos
se realizan las simulaciones de pérdidas con condiciones conservadoras y extremas. En esta
etapa ya es posible saber con detalle, las dosis depositadas en todos los volúmenes y las
dosis que pueden salir del bunker en todas las regiones.
Medición
Es necesario finalmente tener monitores de radiación redundantes y en diversos puntos
alrededor del volumen además de los dosímetros para el personal.
Algunas facilidades incluso tienen monitores para diagnóstico, es decir se tienen
mediciones de dosis “on-line”.
En el caso de ALBA se verifican las dosis acumuladas mensualmente en los monitores
interiores y exteriores al bunker. En la siguiente figura se muestran las dosis acumuladas
del mes de septiembre de 2008 del LINAC de ALBA. Cada punto representa un monitor de
radiación.
43
Seguridad Radiológica
Es indispensable evitar la radiación al personal cuando el LINAC sea encendido. Se debe
pues asegurar que nadie esté presente en el área del acelerador con un sistema de interlock.
Para esto se tendrá que implementar sistemas de botones de emergencia, seguros de puertas
con interruptores, tarjetas de acceso, relevadores y todos los sistemas redundantes
recomendados por las agencias de seguridad. Los detalles se encuentran en la legislación
internacional de Seguridad Radiológica.
6.1.2
Estabilidad y tolerancia en vibraciones
Las exigencias en cuanto a estabilidad depende del número de componentes
conectados entre sí. Para un sincrotrón es crítico y depende del número de componentes de
la red ya que la alineación debe de ser perfecta. Cualquier desviación significa pérdidas.
Hay componentes críticas como el transporte del LINAC al “booster” (es donde se le da el
primer impulso al haz).
Cuando un aparato tiene dimensiones mayores a 10m de longitud, el suelo forma parte del
aparato. Las convenciones para obtener las tolerancias y medir la estabilidad de vibraciones
del suelo dependen del instrumento a instalar pero hay dos que son las más usadas: el
espectro de potencias y la respuesta a la velocidad. El primero es el más usado ya que
contiene la información de la respuesta a una frecuencia determinada. La segunda es más
usada cuando la compensación de la estructura misma es requerida y casi siempre es usada
en el caso de tolerancias horizontales.
44
Ejemplo de la curva de vibraciones integradas medidas para el laboratorio MAX (línea roja) y una
mina de sal en Alemania muy estable (línea azul) como función de la frecuencia de la vibración.
Hay dos fuentes para las vibraciones, las externas y las internas. Las internas se refieren a
las vibraciones producidas por el aparato mismo y sus componentes (compresores, fuentes,
bombas de vacío, etc.) y en la mayoría de las ocasiones están contempladas en su
instalación. Se pueden hacer simulaciones pero en general es más práctico hacer la
medición en las instalaciones parciales.
En el caso de las vibraciones externas es más difícil identificar la fuente ya que puede
provenir de cualquier actividad humana cercana (tráfico, tráfico aéreo, minería,
construcción, actividad industrial, etc.) o de movimientos naturales (ríos, sismos, viento,
etc.).
Todos ellos pueden ser minimizados hasta cierto punto a excepción probablemente el de
tráfico ya que siempre será requerido para suministros o transporte de personal. La mejor
manera de minimizar su efecto será el tener un camino lo más suave posible y limitar la
velocidad dentro de las instalaciones.
Sería muy recomendable que el sitio se encontrara alejado de autopistas y aeropuertos.
En la siguiente figura se muestran como ejemplo las tolerancias a cargas estáticas y a
vibraciones requeridas para ALBA en sus diversos puntos críticos. Nótese que todas son del
orden de unos cuantos micrones.
45
Análisis de carga mecánica
Atenuación pasiva y activa
Hay formas mecánicas de minimizar y/o atenuar las vibraciones y desplazamientos. En la
pasiva se diseñan para condiciones permanentes los materiales ideales para las distancias y
frecuencias requeridas. En la activa se compensan en tiempo real las vibraciones y
desplazamientos que ocurran esporádicamente. El diseño en el segundo caso es muy
costoso y complicado pero en muchos caso necesario. La determinación de estos
requerimientos se da después de la medición del lugar elegido.
Caso de Carga Estática
Esto es mucho más fácil de estimar y en las siguientes tablas se muestran los valores
mínimos
Carga
Carga estática total 10.000 Tm
Carga total distribuida
1,5 Tm / m2
Máxima carga
5 Tm / m2
Carga dinámica
2 Tm
Desplazamientos diferenciales del suelo
Desplazamientos lentos
46
< 0.1 mm per 10 m año
< 10 mm per 10 m día
< 1 mm per 10 m hora
Desplazamientos absolutos < 0.5 mm por año
6.1.3
Instalaciones Eléctricas
La carga para el aparato incluyendo sus componentes mencionada por el fabricante es
de 143,000 W. A esto se debe de añadir el consumo del edificio administrativo y el cuarto
de control. Lo ideal sería tener una redundancia de 2, es decir, por lo menos una planta
propia de emergencia. Lo más crítico en la instalación eléctrica, al lado de la carga total de
potencia, es la estabilidad del suministro para dos y tres fases. Las variaciones en amplitud
deberán ser menores al 10% y en frecuencia, menores al 1%. Las interrupciones deberán ser
menores a 1 por año para las de 1 segundo y menores a 3 por año para las medio segundo.
Control de Temperatura interior
Se requieren 20º +- 5º C. La carga eléctrica estimada para la mantener esta temperatura es
de 18 kW adicionales a los mencionados para el aparato.
Agua
Para los sistemas de refrigeración se necesita agua de-ionizada en unas decenas de metros
cúbicos al año. Se tendrá que subrogar el servicio.
El edificio administrativo y el cuarto de control requieren agua corriente para el uso del
personal.
6.2 Propuesta de instalación
Existen dos propuestas para la instalación del LINAC:
1) La Benemérita Universidad Autónoma de Puebla considera la posibilidad de
construcción de un edificio dedicado en el marco del proyecto estatal La Ciudad de la
Ciencia y la Tecnología. Los detalles del proyecto están en vías de definirse.
La idea general de un edificio dedicado se muestra en la figura abajo. Como la segunda
propuesta, el edificio debe satisfacer condiciones de blindaje a radiaciones y estabilidad
mecánica.
47
Un edificio construido especialmente para albergar el acelerador podría ser como el que se muestra
aquí. En este diseño consideramos la posibilidad de que los equipos de potencia (klystron) así como de
enfriamiento de magnetos y de control de temperatura queden en un segundo nivel.
El segundo nivel del edificio no requiere de una gran altura pero si de un acceso comodo al cableado
eléctrico, de teperatura, etc.
2) La opción más estudiada y que detallaremos a continuación es la que presenta el
Instituto Politécnico Nacional. El edificio ubicado en el Campus, Zacatenco del Instituto
Politécnico Nacional aloja actualmente un arreglo nuclear subcritico.
El edificio se ubica en el extremo norte del Campus Zacatenco del IPN y está
aproximadamente a 100 metros de la avenida Juan de Dios Bátiz por un lado y 100 metros
de la avenida Instituto Politécnico Nacional por el otro.
48
Edificio 9
ESFM
Biblioteca
Edificio ubicado en la cercanía del edificio 9 – ESFM - del Instituto Politécnico Nacional, Campus
Zacatenco.
Detalle del edificio en estudio. La construcción más alargada es espacio de oficinas mientras que el
edificio posterior aloja el arreglo nuclear sub-critico.
49
6.2.1
Túnel de blindaje a radiaciones
El blindaje de radiaciones se deberá construir al interior del edificio tal y como se indica en
los diagramas arquitectónicos. Para este fin se pueden usar bloques inter-lock de concreto
barita. La figura muestra algunas ideas del ensamblaje.
Montaje de bloques de concreto barita para el muro de blindaje contra radiaciones
Edificio que aloja el arreglo nuclear sub-critico en la Escuela Superior de Física y Matemáticas
50
Propuesta de adecuaciones al edificio en el que se contempla el montaje de un túnel de concreto para
blindaje de radiaciones.
Detalle de instalación del acelerador en el túnel. El túnel alberga el acelerador lineal que deberá tener
accesos como el que se muestra al sistema de potencia y control. A la derecha se muestra el Klystron
que proporciona la potencia al acelerador en el interior del túnel.
51
6.2.2
Estabilidad mecánica
Como en el caso de los microscopios de barrido o fuerza atómica, creemos que una
plataforma de concreto aislada de la estructura del edificio y del suelo estabilizará la base
del equipo.
En el dibujo se muestra un arreglo de materiales que puede ser implementado en el edificio
propuesto.
Diseño base de la plancha de concreto con un metro de profundidad.
El aspecto general del edificio con las adecuaciones mencionadas se puede apreciar en las
figuras. Es importante contar con accesos tipo laberinto al túnel del acelerador.
52
Dependiendo de los resultados de un estudio más detallado de las vibraciones del terreno
se podría considerar la necesidad de un arreglo diferente para la plancha de estabilización. En el lado
izquierdo el diseño base. En el lado derecho una opción con un arreglo sándwich de concreto en una
fosa mas profunda (2 m).
Propuesta de adecuaciones al edificio existente. El acelerador línea con una longitud de 17 metros
deberá estar sentado en una plataforma a prueba de vibraciones. Para esto se deberá cimentar el área
de manera adecuada.
53
El túnel de blindaje y la plataforma de estabilidad mecánica representan el monto mayor de
adecuaciones al edificio.
54
7. Solicitud de recursos
7.1
Infraestructura - LINAC
En nuestra propuesta hemos considerado un acelerador lineal como el que se muestra
en la figura abajo. Este dispositivo llevará a los electrones a una energía de 100 MeV.
Componentes de l acelerador lineal LINAC
Pensamos que esta parte del acelerador deberá ser licitada pues el diseño y construcción es
en la actualidad realizada por compañías con gran tradición y experiencia. En particular y
para propósitos de propuesta incluimos aquí la estimación de costos del acelerador lineal
de la compañía ACCEL.
Como se puede apreciar, en el reporte de la compañía el sistema de inyección completo se
entregaría funcionando y con todos los accesorios necesarios. Los tiempos de entrega son
del orden de 2 años pero la misma está sujeta a que las instalaciones adecuadas estén listas.
La compañía presenta requerimientos de construcción, estabilidad y condiciones de
temperatura y humedad adecuadas para el correcto funcionamiento del sistema.
El sistema que se propone es similar a las fuentes de luz de sincrotrón de tercera generación
que actualmente están en construcción como el Swiss Light Source (SLS) en PSI, Suiza y
el Australian Synchrotron Project.
El acelerador está formado por :
-
Pre-empaquetador sub-armónico a 500 MHz.
55
-
Empaquetador primario a 3 GHz
Empaquetador final a 3 GHz
Dos secciones de aceleración a 3 GHz
Fuente de electrones
Sistema de vacío
Imanes deflectores y de enfoque
Diagnóstico de posición, corriente y forma de haz
Sistema de control del sistema
Enfriamiento y sistema de control de temperatura
El sistema opera en dos modos: pulsos cortos 1 nano-segundo y pulsos largos de 150 nano
segundos.
Los electrones son generados por un cátodo termo-iónica con un voltaje de aceleración
de 90 kV de corriente directa. La fuente usa una malla para modular los pulsos de
electrones cuando el sistema es disparado.
El sistema de radiofrecuencia está dado por dos klystrons. Uno de ellos proporciona la
potencia a la etapa de empaquetamiento y la primera sección de aceleración y el segundo
provee a la segunda sección de aceleración.
El sistema contempla elementos ópticos de campo magnético para conservar el haz en un
área dada. Con el uso de solenoides y cuadrupolos se asegura que el haz se mantenga en un
radio de o menor a 0.5 cm del eje central. Los solenoides se usan en la sección con
energías menores a 10 MeV mientras que los cuadrupolos son mejores para energías
arriba de 10 MeV.
Se incluye también varios elementos de diagnóstico de haz y el sistema de control.
A continuación se muestra las especificaciones técnicas proporcionadas por la compañía
ACCEL.
7.1.1 Acelerador Lineal Propuesta Técnica NI Research Instruments - Accel
A continuación se muestra la propuesta técnica desarrollada con la Compañía NI
Research Instruments anteriormente Accel
56
57
58
59
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74
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76
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78
79
7.1.2 Acelerador Lineal Propuesta Técnica: Radia Beam Technologies
Como en el caso de la propuesta de Research Instruments – Accel, la propuesta de Radia
Beam Technologies parte de un diseño similar se detalla ahora.
80
81
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96
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98
99
7.2 Gasto operativo
El diseño y construcción del acelerador es un proceso en el que consideramos muy
importante participar. Para este fin consideramos, en los gastos del proyecto, la presencia
de por lo menos 2 y si es posible 3 investigadores de las instituciones participantes durante
por lo menos un año en el periodo que comprende los 3 años de desarrollo del acelerador.
Para tal fin estamos solicitando financiamiento en los rubros y montos siguientes.
1) Estancia de 2 investigadores en el extranjero para trabajar en colaboración estrecha
durante el diseño y construcción del acelerador.
Boletos de avión: 2 × 1500 USD = 3000 USD
Estancia: 2 personas × 12 meses × 4000 /mes USD = 96,000 USD
Estancia de 1 investigador en el extranjero para trabajar en aspectos específicos del
diseño y construcción
Boletos de avión: 1500 USD
Estancia: 1 persona × 4.5 meses × 4000 /mes USD = 18,000 USD
Total:
1.5 millones de pesos
Durante el proceso de construcción se realizarán diversas actividades de gestión,
planeación y promoción del uso del laboratorio. En este rubro consideramos 1 millón de
pesos que cubrirán los gastos de viaje y logística de las reuniones en la que esperamos
participación nacional e internacional de especialistas. A continuación detallamos los
rubros y los montos estimados en este renglón.
2) Reuniones con especialistas extranjeros:
2 visitas anuales de 2 semanas por tres años (total 3 meses)
Boletos de avión: 2 vistas × 3 años × 1500 USD = 9000 USD
Estancia por persona a 8000 USD /mes × 3 meses = 24000 USD
Participación nacional en reuniones con especialistas
Pasajes de 12 visitas: 5,000 pesos /persona =
60,000 pesos
2 visitas de una semana 2 veces al año durante 3 años (total de 3 meses)
Estancia por persona a 102,000 pesos /mes × 3 meses = 306,000 pesos
Sub-Total: 784,000 pesos
3) Reuniones de los coordinadores de las instituciones participantes
Estancia: 2 días × 3000 pesos/día = 6,000 pesos/persona × 3 personas = 18,000
pesos/reunión
× 4 reuniones/año × 3 años = 216,000 pesos
Pasajes: 12 × 1000 pesos = 12,000 pesos
Sub-Total: 228,000 pesos
Total: 1 millón de pesos
100
8. Desglose Financiero
En varios de los rubros documentamos las cantidades con estimados de la compañía NI
Research Instruments - ACCEL así como de la compañía Rad Beam Technologies con
quien hemos discutido el diseño. En algunos aspectos del proyecto hemos hecho una
investigación de los resultados de las licitaciones de proyectos similares que actualmente
están en desarrollo.
8.1 Acelerador lineal del sistema de inyección - LINAC Abajo presentamos el documento de la compañía NI Research Instruments - Accel con un
estimado de costo de $ 3,600,000 Eur. La estimación se refiere a las especificaciones
técnicas que se dan en el capítulo 6 de este documento.
Después se muestra el desglose de la propuesta de Radia Beam Technologies. Esta
compañía cotiza el equipo en 3,790 USD. En la tabla de especificamos las etapas de pago
correspondientes a las fases de desarrollo.
101
102
103
En cuanto a la propuesta de Radia Beam Technologies, a continuación se desglosa el costo
que totaliza 3,970 dólares.
La compañía propone un esquema de pagos como se nuestra en la tabla:
104
8.2
Costos de operación
Los costos de operación comprenden costos fijos de energía, personal y mantenimiento de
la máquina y equipos asociados. El gasto en potencia estimado en 150 kW no representa un
rubro mayor aunque si es conveniente poner a consideración de la institución sede lo que
esto pueda significar en su consumo usual.
8.3
Resumen de costos
En los costos del proyecto estamos dejando fuera la parte correspondiente a instalaciones
existentes. La institución sede contribuye con el edificio así como infraestructura existente
mientras que las adecuaciones son parte del costo proyectado como sigue.
Consideramos un tiempo de desarrollo del proyecto de 3 años a partir de la liberación de los
recursos.
Escenario 1
El esquema de participación financiera de las instituciones es como sigue, (millones de
pesos) :
CONACYT
20
BUAP
10
CINVESTAV
10
IPN
10
( + edificio de instalación existente )
__________
Total
50 millones de pesos
El desglose de gastos en el periodo de tres años es (millones de pesos) :
LINAC diseño y construcción
Participación mexicana
Instalación
Adecuación del edificio
Organización de usuarios
gestión y planeación
Instrumentación
Total
35
1.5
rf gun, 50 MeV - LINAC
seguimiento y participación del
proyecto
3
sistema eléctrico, enfriamiento,
Cableado y accesorios
4.5
plancha de estabilidad mecánica
4
blindaje a radiaciones
1
planeación de uso, reuniones
promoción
1
dipolo magnético para la
generación de luz, mesas de
trabajo, herramienta etc.
______________
50 millones de pesos
105
Escenario 2
El esquema de participación financiera de las instituciones es como sigue (millones de
pesos) :
CONACYT
30
BUAP
15
CINVESTAV
15
IPN
15
( + edificio de instalación existente )
__________
Total
75 millones de pesos
El desglose de gastos en el periodo de tres años es (millones de pesos) :
LINAC diseño y construcción
Participación mexicana
Instalación
Adecuación del edificio
Organización de usuarios
gestión y planeación
Instrumentación
Total
60
thermoionic gun,
100 MeV – LINAC
1.5
seguimiento y participación del
proyecto
3
sistema eléctrico, enfriamiento,
Cableado y accesorios
4.5
plancha de estabilidad mecánica
4
blindaje a radiaciones
1
planeación de uso, reuniones
promoción
1
dipolo magnético para la
generación de luz, mesas de
trabajo, herramienta etc.
______________
75 millones de pesos
106
Base de cálculo para el rubro de instalación, sistema eléctrico y de enfriamiento.
107
9. Cronograma de Actividades
El proyecto se desarrolla en 3 años a partir del momento en que se pueda disponer de los
recursos financieros.
9.1 Cronograma
El proyecto se desarrolla en 3 años a partir de la aprobación y asignación de recursos. A
continuación mostramos los cronogramas del desarrollo de la máquina así como el
correspondiente a los trabajos de adecuación del laboratorio.
Es importante señalar que el desarrollo de la máquina se llevará a cabo a partir del segundo
año puesto que es importante contar con la instalación adecuada para que se pueda
proceder con la validación de la instrumentación al final de segundo año. Los cronogramas
1 y 2 se refieren a las adecuaciones del edificio que albergará la máquina. El cronograma
3 referente al desarrollo de la instrumentación inicia en el mes 13. El cronograma 4
continúa la secuencia de desarrollo, construcción y validación de la instrumentación.
Los cronogramas de adecuación del espacio de laboratorio deberán ser ajustados con la
compañía o compañías que ejecutarán los trabajos. Aquí sólo esbozamos la idea general
con el objetivo de señalar las necesidades que impone el desarrollo de la instrumentación.
108
Cronograma de adecuaciones, 1er año.
Cronograma de adecuaciones, 2do año.
109
Cronograma de desarrollo, construcción y validación de instrumentación, 2do año.
Cronograma de desarrollo construcción y validación la instrumentación, 3er año.
110
Apéndices
A. Resumidos curriculares de los editores
Dr. Guillermo Contreras Nuño
Name:
Birth:
Civil status:
Position:
e–mail:
Jesús Guillermo Contreras Nuño.
April 27, 1967; Monterrey, México.
Married, one son.
Full Professor (since 1998),
Departamento de Física Aplicada
Cinvestav-IPN Unidad Mérida, México.
jgcn@mda.cinvestav.mx
Education
B.Sc in Physics
and Mathematics:
M.Sc. in Physics:
Ph.D. in Physics:
ESFM–IPN (Mexico) 1991.
Cinvestav (Mexico) 1993.
Dortmund University (Germany) 1997.
Research interests
Phenomenology:
Experiment:
DIS and HIC physics.
H1 Collaboration (member since 1993),
Alice Collaboration (member since 2001).
Thesis supervised
B.Sc:
M.Sc:
Ph.D:
11: 10 finished, 1 in process.
8 finished.
7: 5 finished, 3 in process.
Scientific Publications
Refereed Articles:
Notes, proceedings:
Books Edited:
200+, most in big Collaborations, some independently.
30.
Four books of proceedings (two in press).
International Conferences
Talks given:
Organized:
30+ (Half in Mexico, half outside).
8 (four Chairman, once Co-Chairman).
111
Outreach
Talks:
Articles:
Video:
20+.
15.
1 (in process).
Honors:
• Member of the Mexican Academy of Science.
• Level III (highest) of the National System of Researches (Mexico).
• Scientific Associate at CERN (2005).
• Member of the IHEPCCC panel of ICFA (2007-2008).
• Vice-President (2008-2009) and President (2010-2011) of the Particles
and Fields Division of the Mexican Physics Society.
• Member of the National Committee of the Mexican High Energy Physics
Network (2008-).
• Executive Committee H1 Collaboration (2009 -)
Awards:
• National Science Prize from the Ricardo J. Zevada Foundation 2001.
Handed in by the President of Mexico.
• National Award from the Mexican Academy of Science in the Exact
Sciences, 2005. Handed in by the President of Mexico.
112
Arturo Fernández Téllez
Nombramiento:
Institución:
Dirección:
E-mail:
SNI:
Doctorado:
Profesor Titular C
Facultad de Ciencias Físico Matemáticas
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Av. San Claudio y Río Verde
Ciudad Universitaria, Col. San Manuel
72520 Puebla, Puebla.
afernand@fcfm.buap.mx
Nivel II
(1987-1991)
Cinvestav, IPN
Número de tesis Doctorado dirigidas: 2
Número de tesis Maestra dirigidas:
9
Número de tesis Licenciatura dirigidas: 19
en proceso: 2
Total de artículos de investigación en revistas internacionales con
arbitraje estricto: 85 con mas de 2 mil citas.
Participaciones en congresos: 25
Edición de libros: 2
Artículos de divulgación científica: 9
Algunas de las publicaciones:
First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector:
measurement of the charged-particle pseudo rapidity density at GeV
Eur. Phys. J. C 65 (2010) 111.
Charged-particle multiplicity measurement in proton.proton collisions at 0.9 and 2.36 TeV
with ALICE at LHC.
Eur. Phys. J. C 68 (2010) 345.
Double flavor cviolating top quark decays in effective theories,
A. Fernandez Tellez, C. Pagliarone, F. Ramirez Zavaleta, J. Toscano,
J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 37 (2010) 085007 (24pp)
Detection of atmospheric muons with ALICE detectors,
B. Alessandro, et al.
Nucl. Inst. & Meth. In Phys. Research (NIMA) 617 (2010) 57-S61
Radiative decays Z_H -> V_i Z (V_i = gamma Z) in little Higgs models,
I Cortes Maldonado, A Fernandez-Tellez and G Tavares-Velasco,
J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 39 015003 (2012)
113
Model independent measurement of S wave K-.+ systems using D+ . K. .decays from
Fermilab E791
Con la colaboración E791 (E. M. Aitala, et al. ), Fermilab-PUB-05-336-E, Jul. 2005
Publicado en Phys. Rev. D73 (2006) 032004.
Algunos Reconocimientos y otras Actividades Académicas:
- Premio Estatal de Ciencias, Puebla, 2008
- Interlocutor Institucional (BUAP), Programas Europeos de Movilidad HELEN,EPLANET.
- Reconocimiento Mente Quo Discovery en la categoría Vanguardia, 2011.
114
Dr. Gerardo Herrera Corral
Nombramiento:
Institución
Dirección
E-mail:
SNI:
Doctorado:
Profesor Titular E
Departamento de Física,
Cinvestav
Av. IPN 2508
Col. Zacatenco
07360 México, D. F.
gherrera@fis.cinvestav.mx
Nivel III
(1987-1991)
Universität Dortmund, Alemania
Número de tesis Doctorado dirigidas: 8
Número de tesis Maestría dirigidas:
8
Número de tesis Licenciatura dirigidas: 3
en proceso: 4
Total de artículos de investigación en revistas internacionales con arbitraje estricto: 240 con
más de 5 mil citas.
Participaciones en congresos: 44
Edición de libros: 8
Artículos de divulgación científica: 70
Algunas de las publicaciones:
First proton–proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector:
measurement of the charged-particle pseudorapidity density at 2 = 900 GeV
Eur. Phys. J. C 65 (2010) 111.
Charged-particle multiplicity measurement in proton–proton collisions at
2.36 TeV with ALICE at LHC.
Eur. Phys. J. C 68 (2010) 345.
2 = 0.9 and
Inelastic production of J/ψ mesons in photoproduction and deep inelastic scattering
at HERA.
Eur. Phys. J C 68 (2010) 401.
Spin alignment of vector mesons in heavy ion-and proton-proton collisions.
Phys. Lett. B 682 (2010) 408.
Model independent measurement of S wave K-π+ systems using D+ → Kπ π decays from
Fermilab E791
Con la colaboración E791 (E. M. Aitala, et al) Fermilab-PUB-05-336-E, Jul. 2005
Publicado en Phys. Rev. D73 (2006) 032004.
115
Algunos Reconocimientos y otras Actividades Académicas:
- Fulbright Research Award 1993.
- Miembro del Panel de Instrumentación y Desarrollo de ICFA (International Committee
for Future Accelerators) desde 1996.
- Presidente de la División de Partículas y Campos de la Sociedad Mexicana de Física,
1998-2000.
- Alexander von Humboldt Research Fellowship 1998-1999.
- Miembro del SNI nivel III desde julio de 2000.
- Presidente de la División de Física Médica de la Sociedad Mexicana de Física 2002-2004.
- Premio de la Investigación Científica 2001, Academia Mexicana de Ciencias.
- Jefe del Departamento de Física, CINVESTAV en el período 2003-2007.
- Miembro del Consejo Editorial de la Revista Mexicana de Física (Sociedad Mexicana de
Física, A. C.) en el período 2004-2007.
- Presidente de la Comisión de Ética del CINVESTAV en el periodo de 2006-2010.
- Miembro del International High Energy Physics Computing Coordination Committee del
ICFA (International Committee for Future Accelerators).
- Premio de la Sociedad Mexicana de Física 2006 a la Investigación Científica, por su
contribución en el campo de la Física Experimental de Altas Energías
- Miembro del Editorial Advisory Board The Open Nuclear & Particle Physics Journal
Betham Science Publishers.
- Secretario Designado de la Academia Mexicana de Ciencias 2010-2012.
- Coordinador del Grupo de Física Difractiva en el experimento ALICE del Gran
Colisionador de Hadrones en CERN.
- Reconocimiento Mente Quo Discovery en la categoría Universo, 2011.
- Miembro del Consejo Editorial del Periódico Reforma - febrero 2012.
116
Dr. Ricardo López Fernández
Domicilio:
Puno # 956 int. B501 Col. Lindavista
México DF CP 07300
E-mail: lopezr@fis.cinvestav.mx
1. Research Profile and Education
Current position
Faculty (Researcher) Physics Department Cinvestav 3-A
(Since 2005)
Degree
Doctorat , Université Joseph Fourier, Grenoble, France.
Subject
Experimental High Energy Physics
National Researcher (SNI Mexico) Level I
Previous Position
3 years fellowship for the “Deutsches Elektronen-Synchrotron”
DESY (2002-2005)
2. Published Research Work
Original Research Papers
31 articles published as a member of the CMS (LHC) Collaboration (since 2010)
77 articles published as a member of the H1 (HERA) Collaboration (since 2003)
85 articles published as a member of the DELPHI (LEP) Collaboration (1998-2002)
Asymmetry in Colloidal Diffusion near a Rigid Wall
Mauricio D. Carbajal-Tinoco, Ricardo Lopez-Fernandez, and José Luis Arauz-Lara
Phys. Rev. Lett. 99, 138303 (2007)
Proceedings
Towardsthe International Linear Collider. Ricardo Lopez-Fernandez, (CINVESTAV, IPN)
2006. 10pp. Prepared for 10th Mexican Workshop on Particles and Fields, Morella,
Michoacan, Mexico, 7-12 Nov 2005. Published in AIP Conf.Proc.857B:330-339,2006.
Recent results from the H1 experiment of HERA.
By H1 Collaboration (R. Lopez-Fernandez for the collaboration). 2006. 8pp.
Prepared for 10th Mexican Workshop on Particles and Fields, Morella, Michoacan, Mexico,
7-12 Nov 2005.
Published in AIP Conf.Proc.857:210-217,2006. Also in *Morelia 2005, Particles and
fields* 210-217
As Editor
First CINVESTAV-UNAM Symposium on High Energy Physics, Dedicated to the
Memory of Augusto García, Mexico City, Mexico, November 30th - December 1st , 2009.
Juan Carlos D’Olivo, Alejandro Frank, Ricardo Lopez-Fernandez, Miguel Angel Perez.
2010. 245pp. Published in AIP Conf.Proc.1259:1-203,2010.
117
Frontieres in contemporary physics. Proceedings, 5th Advanced Summer School in
Physics, EAV08, Mexico City, Mexico, July 27-31, 2009. Miguel Garcia Rocha, (ed.),
Gabino Torres Vega, (ed.), , Luis F. Rojas Ochoa, (ed.), Ricardo Lopez-Fernandez, (ed.),
Eduard De La Cruz Burelo (ed),Abdel Pérez Lorenzana(ed) , (CINVESTAV, IPN) 2009.
245pp. Published in AIP Conf.Proc.1287:1-123,2009.
Frontieres in contemporary physics. Proceedings, 4th Advanced Summer School in
Physics, EAV08, Mexico City, Mexico, July 7-11, 2008. Luis Manuel Montano Zetina,
(ed.), Gabino Torres Vega, (ed.), Miguel Garcia Rocha, (ed.), Luis F. Rojas Ochos, (ed.),
Ricardo Lopez-Fernandez, (ed.), (CINVESTAV, IPN) . 2008. 245pp. Published in AIP
Conf.Proc.1077:1-245,2008.
Graduate Teaching
Propedeutics on Electromagnetism (spring 2007 and spring 2009)
Introduction to Particle Physics (2011)
Thesis
Advisor of the M. Sc. thesis: “Reconstrucción del Barión Lambda+c producido de
Dispersión Inelástica Profunda en el Detector H1 de HERA ” Author: Bruce YeeRendon. 23th november 2009.
118
B. Carta de la red temática
C. Cartas de las instituciones que respaldan la propuesta
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