ÓPTICA ELECTRÓNICA Y ACELERADORES
«Publicado por primera vez en el World Wide Web de INTERNET el 15 de Julio de 1999.»
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Profesores:

Humberto Rojas (Ph. D. en Física, Universidad de Manchester, Inglaterra) Departamento de Física y Laboratorio de Física de Superficies, Escuela de Física y Centro de Microscopía Electrónica, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela).

hrojas@fisica.ciens.ucv.ve

Carlos Rojas (Ph. D. en Física, Universidad de Londres, Inglaterra) Departamento de Física y Laboratorio de Física de Superficies, Escuela de Física y Centro de Microscopía Electrónica, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela).

crojas@fisica.ciens.ucv.ve

MARTÍN, Rafael (Ph. D. en Física, Massachusetts Institute of Technology, USA, 1984, y Magister Scientarum, Mención Física, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, 1978) Física nuclear teórica, física de neutrones, física matemática asociada a problemas inversos y problemas de transporte, teoría de resonancia magnética nuclear aplicada a medicina y medios porosos. (Departamento de Física y Laboratorio de Física Estadística y Fenómenos Colectivos y Centro de Resonancia Magnética, Escuela de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela).

rmartin@fisica.ciens.ucv.ve
rmartinland@hotmail.com

DAVILA, Jesús (M. Sc. en Física Médica, Universidad Central de Venezuela, 2003) Radioterapia de intensidad modulada, radioterapia de alta tasa de dosis, dosimetría en tres dimensiones, sistemas de planificación de tratamientos y control de calidad en radioterapia. (Laboratorio de Física Estadística y Fenómenos Colectivos, Departamento y Escuela de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela) y Unidad de Radioterapia Oncológica GURVE, Instituto Médico La Floresta.

gurve@cantv.net


José Antonio Bencomo(Ph. D. en Biofísica y M. Sc. en Física Médica, Universidad de Texas, Houston, Texas, USA), Radiation Physics and Diagnostic Imaging Departments, M. D. Anderson Cancer Center, University of Texas, Houston, Texas, USA.

jbencomo@mdanderson.org


Duración: 16 semanas a razón de 3 horas semanales.

Frecuencia: Anual.

Tipo de Curso: Teórico-práctico.

Número de Créditos: Tres (3) créditos.

Objetivos del curso: Los objetivos fundamentales del curso pueden resumirse como: (1) Introducir conceptos fundamentales de la óptica electrónica clásica y su teoría. (2) Introducir las ideas fundamentales asociadas al diseño y construcción de lentes electromagnéticas y manejo de problemas de enfoque. (3) Discutir su aplicación en la construcción de aceleradores de partículas, revisar diversos sistemas de aceleración y su implantación.

Al finalizar el curso el estudiante será capaz de: (i) Entender la fenomemología básica. (ii) Hacer cálculos de dificultad elemental e intermedia, donde pueda apoyarse para reunir suficientes elementos de juicio en la toma de decisiones asociadas a situaciones prácticas. (iii) Manejar la literatura relevante del área.

Método de Evaluación: Dos exámenes de 25% de peso cada uno y tareas semanales con un peso total de 50 \%. El primer examen se tomará a mitad de semestre y el segundo será un final, donde se revisará toda la materia. Ambos constarán de una parte escrita y otra oral. La parte escrita se dará para que se resuelva con anterioridad fuera del horario de clase y será diferente para cada estudiante. Para proceder con la parte oral (la cual no debe ocurrir después de que hayan transcurrido 48 horas de haberse dado el material de la escrita al estudiante) se debe haber entregado la parte escrita al jurado examinador y este haber estudiado el contenido de la misma. Al comenzar la prueba oral el estudiante defenderá lo desarrollado por él en la parte escrita ante el jurado, el cual podrá en cualquier momento con sus preguntas salir completamente del tema de la prueba escrita y pasar a otro u otros tópicos relevantes al curso. El jurado estará formado por tres profesores, que pueden ser miembros del programa de postgrado o invitados. Para dar un fallo la opinión de los miembros del jurado no tiene que ser unánime y se decidirá por mayoría. Toda esta actividad se realizará fuera del horario regular de clase y será pública.

CONTENIDO PROGRAMÁTICO

1. Movimiento de partículas cargadas en campos electromagnéticos estáticos:

Movimiento en un campo eléctrico y sus ecuaciones. Analogía entre el movimiento de partículas cargadas en campos electrostáticos y propagación de haces luminosos en medios transparentes. Leyes de conservación. Campos con simetría axial. Invariantes adiabáticos. Ecuación de Helmholtz-Lagrange y lentes delgadas. Técnicas de aproximación en el tratamiento de problemas de óptica electrónica.

2. óptica electrónica geométrica:

Electrones en campos magnéticos. Propiedades de las imágenes generadas con campos estáticos de simetría axial. Lentes electrónicas con simetría axial. Lentes cuadrupolares. Enfoque con lentes delgadas. El microscopio electrónico. Movimiento en campos magnéticos de variación lenta e invariantes adiabáticos. Enfoque con campos eléctrico y magnético cruzados. Enfoque fuerte. Campos con simetría especular. Matriz que relaciona el espacio del objeto y el espacio de la imagen en óptica electrónica geométrica. Dispersión y poder de resolución. Invariante lagrangiano de la óptica electrónica geométrica. Efecto del momento angular finito en la formación de la imagen. Ecuaciones de Hamilton para las trayectorias. Enfoque y confinamiento del haz: condiciones generales que deben observarse. Movimiento de partículas neutras con momento dipolar en campos estáticos.

3. Movimiento de partículas cargadas en campos electromagnéticos que dependen del tiempo:

Partículas cargadas en campos transversales que dependen del tiempo. Modulación de las velocidades y enfoque de fase. Teorema de Floquet. Hamiltoniano de una partícula cargada en presencia de una onda viajera elecrtomagnética.

4. Conceptos básicos relacionados con aceleradores de partículas:

Dinámica relativista básica. Aceleradores cíclicos. Ciclotrón. Betatrón. Aceleradores lineales. Límites de las energías que los aceleradores pueden alcanzar.

5. Amplificadores electrónicos y osciladores:

Procesos con emisión de electrones. Emisión termoiónica y fotoemisión. Emisión de campo. Emisión explosiva de electrones. Operación de válvulas termoiónicas clásicas. Flujo electrónico e iónico en diodos de alta potencia. El klystron y el klysrton reflex. Ondas de carga espacial y ondas ciclotrónicas. Amplificación por acoplamiento de modos de propagación de ondas (tubos de ondas viajeras). El RMM (Relativistic Microwave Magnetron). Fenómenos de preoscilación. Circuitos anódicos. Interacción entre la carga espacial electrónica

y los campos de radio frecuencia. El ECM (Electron Cyclotron Maser). Mecanismos físicos del ECM. Teoría lineal. Mecanismos de saturación no lineales y la estabilidad del ECM. El FEL (Free Electron Laser). Mecanismos físicos del FEL. Teoría lineal del FEL en el límite de dispersión de Raman. Mecanismos de saturación no lineales. Amplificadores paramétricos.

6. Aceleración colectiva de iones con haces electrónicos intensos:

Aceleración colectiva en tubos con gases neutros y al vacío. El IFA (Ion Front Accelerator). El ARA (Autoresonant Accelerator). El CGA (Converging Guide Accelerator).

7. Prácticas de óptica electrónica y aceleradores:

A continuación se ofrece la lista de prácticas de laboratorio que son parte del curso:

(1) Sistemas ópticos del microscopio electrónico. Semejanzas y diferencias con un acelerador lineal de electrones. Simulación de un haz electrónico mediante un sistema óptico.

(2) Calidad de haz en microscopía electrónica. Aspectos paralelos en un acelerador lineal de electrones. Sistemas informáticos de mayor uso en ambos casos.

(3) Visita al servicio de radioterapia del Hospital Clínico en la Universidad Central de Venezuela para ver en operación un acelerador lineal para tratamiento con fotones.

(4) Simulación del transporte de electrones y fotones en medios materiales. Introducción al paquete EGS4 y sus variantes.

(5) Visita al servicio de radioterapia del Hospital de El Llanito para ver un acelerador lineal para tratamiento con electrones.

BIBLIOGRAFÍA

Aparte de una lista de artículos que los profesores suministrarán durante el curso, se debe considerar adicionalmente la consulta de la lista de libros que se cita a continuación:

  1.  Akhiezer, A. I. and N. F. Shul'ga, High-Energy Electrodynamics in Matter, Gordon and Breach Publishers, Luxembourg, 1996.

  2.  Artsimovich, L. A. and S. Y. Lukyanov, Motion of Charged Particles in Electric and Magnetic Fields, MIR Publishers, Moscow, Rusia, 1980.

  3.  Brau, C. A., Free-electron lasers, Academic Press, New York, New York, 1990.

  4.  Das, A. and T. Ferbel, Introduction to Nuclear and Particle Physics, John Wiley and Sons, New York, New York, 1994.

  5.  Farago, P. S., Free-Electron Physics, Penguin Books, Harmondsworth, Middlesex, UK, 1970.

  6.  Frauenfelder, H., and E. M. Henley, Subatomic Physics, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, U.S.A., 1991.

  7.  Greene, D. and P. C. Williams, Linear Accelerators for Radiation Therapy, Institute of Physics, Bristol, UK, 1997.

  8.  Heitler, W., The Quantum Theory of Radiation, third edition, Oxford University Press, Oxford, U.K., 1954.

  9.  Lawson, J. D., The Physics of Charged-Particle Beams, Oxford University Press, Oxford, UK, 1978.

  10.  Leo, W. R., Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1987.

  11.  Louisell, W. H., Quantum Statistical Properties of Radiation, John Wiley and Sons, New York, New York, U.S.A., 1973.

  12.  Loudon, R., The Quantum Theory of Light, Oxford University Press, Oxford, UK, 1973.

  13.  Miller, R. B., An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams, Plenum Press, New York, New York, U.S.A., 1982.

  14.  Rosenzweig, J., Fundamentals of Beam Physics (libro publicado en INTERNET y para consultarlo u obtenerlo hay que ir a la dirección http://pbpl.physics.ucla.edu, que corresponde al Particle Beam Physics Lab y luego bajo el título Recent Results and Publications se puede encontrar la entrada a la página del libro). Publicado por primera vez en INTERNET en diciembre de 1999.

  15.  Segrè, E., Nuclei and Particles, second edition, Benjamin-Cummings/Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, USA, 1977.

  16.  Wiedemann, H., Particle Accelerator Physics, Volume I: Basic Principles and Linear Beam Dynamics, Volume II: Nonlinear and Higher Order Beam Dynamics. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1993.

[Página mantenida por el Prof. Rafael Martín Landrove, revisada el 14 de julio de 2004]

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