¿Qué partícula subatómica es mejor para una pistola aceleradora de partículas?

El siempre útil Atomic Rockets tiene una sección sobre "armas convencionales" de Space Warfare que tiene la mayoría de los detalles que necesita para comprender las armas de rayos de partículas (y casi cualquier otro tipo de arma).

Respuesta corta: no está pasando, amigo...

Los aceleradores de haz de partículas utilizan la propiedad de las partículas ionizadas para manipular las partículas, tanto para acelerarlas, enfocar el haz y dirigir el haz. Mientras el rayo permanezca dentro del acelerador, todo está bien, pero abra el puerto y deje que el rayo escape, y la repulsión mutua de las partículas hará que el rayo se disipe rápidamente, ya que los electrones, protones o iones de alta energía vuelan rápidamente. de cada uno.

Durante la década de 1980, como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI), surgieron dos ideas que podrían permitir el uso de haces de partículas en el espacio y en la atmósfera.

1. Haces de iones neutros. Esta no es una alteración alucinante de las leyes de la física, sino que el haz de iones del acelerador debía pasar a través de una celda de algún gas neutro y extraer electrones del gas para neutralizar el haz. El haz altamente cargado y de movimiento rápido (relativista) entraría en la celda y emergería moviéndose un poco más lento pero con la carga neutralizada en gran medida. Esto no resolvió todos los problemas, y se calculó que el haz se dispersaría debido a la floración térmica, pero podría obtener un alcance de unos pocos miles de kilómetros. Por supuesto, con la tecnología de los años 80 y las plataformas de lanzamiento, cada acelerador de partículas neutral requeriría muchos vuelos para construirse, y serían objetivos gigantes flotando en órbita.

Concepto TRW para un arma de haz de partículas. Imagen vía Scott Lowther

2. Haces de electrones para la defensa de barcos. La Marina de los EE. UU. consideró el problema de derribar misiles antibuque entrantes y concluyó que un haz de electrones sería una buena arma, capaz de entregar mucha energía al objetivo, tanto energía térmica que podría causar una falla estructural en el fuselaje del misil, y los propios electrones dañarían cualquier sistema electrónico integrado. Dado que la atmósfera absorbería el rayo, y el problema de la repulsión mutua haría que el rayo fuera inútil en todos los rangos, excepto en los más cortos, el concepto se modificó para tener un láser de alta potencia disparando primero. El láser crearía un vacío parcial a lo largo de su trayectoria debido a la energía que se deposita en el aire, y el haz de electrones seguiría naturalmente el canal. La física completa se me escapa (el hecho de que el rayo corriera por un canal de vacío parcial permitió que el rayo permaneciera enfocado a una distancia mucho mayor que de otra manera), y también podría preguntarse razonablemente por qué no usar el láser para derribar el misil. A partir de 2018, la Marina respondió "ya sabes, ¿por qué no usar el láser?" y ahora se están instalando prototipos de armas láser en los barcos.

Ahora hay una forma de utilizar un haz de partículas para hacer un arma efectiva capaz de usarse tanto en la atmósfera como en el espacio. Utilice un haz de electrones de muy alta potencia para impulsar un láser de electrones libres (FEL). Al variar la potencia de salida del rayo a medida que pasa a través de los imanes "wiggler", puede variar la longitud de onda del rayo láser que emerge del tren óptico, optando por longitudes de onda muy cortas utilizando pequeños espejos o rejillas de difracción para el espacio, y paso a paso. hasta el infrarrojo u otras frecuencias que se disparan a través de "ventanas" donde su atmósfera es transparente a las longitudes de onda para el combate de superficie en un planeta.

Antimateria

Las antipartículas te darían el máximo rendimiento, por así decirlo. También reaccionarían con el aire. Entonces, podrías idear algún tipo de contención para que duren más, como un pulso de antielectrones rodeado por una gran cantidad de protones, o simplemente tener un lanzallamas de antimateria que los arroje continuamente. Pero necesitarías un buen escudo ya que estarías más cerca del arma que el objetivo, y no iría muy lejos.

neutrones

El mejor viaje, la mejor masa y, si el objetivo está hecho del material adecuado, podría desencadenar una reacción de fisión o fusión. Pero la mayoría de las cosas no se ven afectadas por los neutrones y pasarían directamente.

protones o electrones

¡Plasma instantáneo! Los protones tienen más masa y pueden seguir un camino más recto, pero ambos interactuarán inmediatamente con las partículas cercanas. Si tuvieras muchos de ellos fluyendo en la misma dirección, ionizarías un camino, creando un haz de plasma. Se necesita mucha energía loca, y podría formar un patrón fractal más que una línea recta.

Es posible que tenga algún tipo de láser que guíe el plasma o preionice el camino de las partículas para reducir la propagación y la pérdida de energía, pero está bastante lejos de entender la física y requeriría un montón de manos sobre la mecánica.

radiación alfa

El uso de núcleos de helio ionizado tendría más masa y un camino más recto, y podría tener efectos negativos instantáneos en el ADN, similares a la radiación alfa del plutonio. La radiación alfa es detenida por una hoja de papel u otra barrera mínima similar, pero si tuvieras suficiente y lo suficientemente rápido, podrías abrir un camino. Esto probablemente sería como un rayo de la muerte, creando un rayo ionizado que es particularmente destructivo para el material orgánico. Todavía de muy corto alcance y muy ionizante, pero una fuente de combustible razonable sería un bote de gas helio.

Respuesta: radón.

Un arma de haz de partículas sería buena para disparar algo donde no deseas quemarlo, sino que deseas entregar energía a algo en su interior, tal vez una forma de vida o algún elemento de una nave espacial. La precisión (en 3 dimensiones) minimizaría el daño al resto del objetivo, lo que podría ser deseable por varias razones. Podría ser menos probable que explote. O podrías salvarlo. O podrías inutilizar un barco sin perforar un agujero en el costado y matar a la tripulación.

Como trasfondo, considere para qué se utilizan los haces de partículas reales. La radioterapia convencional utiliza fotones que es radiación electromagnética. La radiación de partículas tiene la ventaja de que una partícula cargada en movimiento descarga su energía principalmente en el punto donde se desacelera.

de http://radcare.org/types-of-radiation-therapy/particle-beam-radiation-therapy

Entonces, un haz de partículas es bueno para depositar energía a una distancia específica en un objeto, y ese sitio de depósito de energía (aquí un tumor) puede controlarse ajustando la cantidad de energía puesta en un protón.

Otros iones se utilizan para la radiación de haces de partículas. Uno oye hablar de la radiación de iones de carbono y veo que se han probado otras partículas (neón, criptón).

de El papel emergente de la radioterapia de iones de carbono

Mientras que la radiación convencional generalmente pasa continuamente a través de un objetivo biológico, con una dosis aproximadamente equivalente a lo largo de la trayectoria del haz, los haces de partículas liberan energía a la inversa de su velocidad. Por lo tanto, los haces de partículas entregan una dosis de entrada más baja, depositando la mayor parte de su energía en el extremo de la trayectoria de vuelo, produciendo un pico de dosis asintótica (el "Pico de Bragg") (15). Esto permite una distribución de concentración de dosis imposible con los métodos de irradiación convencionales.

Hoy en día, el protón domina la terapia de partículas. Sin embargo, la mayor masa de carbono da como resultado una menor dispersión del haz, lo que produce un borde de distribución de dosis más nítido con una penumbra mínima (16). Radiobiológicamente, los haces de iones de carbono producen de dos a tres veces el efecto biológico relativo (RBE; la efectividad biológica de un tipo de radiación ionizada en relación con otro, dada la misma cantidad de energía absorbida) de protones y métodos de irradiación convencionales.

Entonces, ¿cuanto más masiva es la partícula, más energía cinética y más preciso el haz? Aparentemente no.

https://www.bnl.gov/nsrl/userguide/bragg-curves-and-peaks.php es una excelente referencia sobre las curvas de Bragg, que representan la deposición de energía a profundidades determinadas para una partícula cargada con una energía determinada.

Desde ese sitio

Cuando el ion primario de alto Z se rompe, da como resultado varios fragmentos de bajo Z, cada uno de los cuales deposita pequeñas cantidades de energía en el material. La suma total de toda la energía depositada por todos los fragmentos nunca puede sumar la energía depositada por el ion primario. Esto hace que la Curva de Bragg para la fragmentación de iones de alto Z como el hierro disminuya inicialmente.

Así que los iones pesados ​​como el titanio, el hierro y el oro que se fragmentan no llevan limpiamente su energía a una profundidad determinada y la dejan caer; se fragmentan y depositan energía en el camino como una especie de radiación electromagnética. Descuidado.

El carbono no debe fragmentarse así y tampoco el xenón o el criptón. Supongo que el xenón y el criptón no lo hacen porque son gases nobles, pero por qué eso debería ser cierto (o qué gobierna la tendencia a fragmentarse en un ion dado) está más allá de mi comprensión.

Entonces: más masivo = más impacto, y los gases nobles son menos propensos a fragmentarse y es más probable que entreguen la energía a la profundidad que desea. El radón es el gas noble más pesado y esa es mi respuesta.

Adición en caso de que quiera usar esto en una atmósfera y el aire esté en el camino. 1: Dispara un dardo con un cable conductor. 2: Convierte el cable en plasma con una gran carga eléctrica. En esencia, será un rayo horizontal. 3: El plasma en expansión dejará un núcleo de baja densidad de casi vacío. Será donde estaba el cable. 4: Descarga tus partículas por este camino de vacío transitorio.