Línea de luz Sincrotrón en México Acelerador lineal de
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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. 1 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 3 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 4 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 5 Editores Guillermo Contreras Nuño Departamento de Física Aplicada Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Campus Mérida, Yucatán E-mail: [email protected] Arturo Fernández Téllez Facultad de Ciencias Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Puebla, Puebla E-mail: [email protected] Gerardo Herrera Corral Departamento de Física Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Campus Zacatenco, México, D.F. E-mail: [email protected] Ricardo López Fernández Departamento de Física Centro de Investigación y de Estudios Avanzados Campus Zacatenco, México, D.F. E-mail: [email protected] 6 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 7 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. 8 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. 9 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. 10 • 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. 11 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. 12 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 13 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. 14 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 15 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. 16 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 17 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. 18 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 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 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 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 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. [email protected] 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. [email protected] 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. [email protected] 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: [email protected] 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 119 120
