Las fábricas de luz del siglo XXI

Rayos X. Seguro que se te vienen a la mente la palabra hospital y radiografía. Y no es de extrañar, dado que es su uso más extendido.

Wilhelm Conrad Röntgen consiguió en 1895 tomar la primera radiografía de la historia. Los resultados que publicó mostraban una radiografía de la mano izquierda de su mujer en la que se aprecian perfectamente los huesos y el anillo que llevaba puesto. Un gesto de romanticismo sin precedentes sin lugar a dudas. Para tomar la radiografía, Röntgen utilizó  rayos-X producidos por un tubo tubo de Crookes.

Priemra radiografía
Radiografía de la mano derecha de Anna Bertha, mujer de Röntgen

Un tubo de Crookes es una ampolla de vidrio en la que se hace un vacío de alrededor de 10-5 Torr y que cuenta con un cátodo (-) y un ánodo (+), en su interior. Debido a que no tenemos un vacío perfecto en el tubo siempre habrá un pequeño número moléculas neutras, iones y electrones libres. Estos dos últimos se acelerarán si aplicamos una diferencia de potencial entre los electrodos. Al ser acelerados, los electrones ionizarán moléculas neutras de nitrógeno (el aire está principalmente compuesto de N2) , o los iones arrancarán electrones al chocar contra el cátodo. El resultado de esta vorágine de choques es una gran cantidad de electrones acelerados a velocidades muy altas y con energía suficiente para expulsar a los electrones que se encuentran en las capas internas de los átomos del blanco y de la ampolla vidrio. Cuando estos electrones son expulsados, los electrones de capas superiores pasarán a ocupar esos ‘’huecos’’ vacíos, emitiendo rayos-X durante proceso.

tubo explicación1
Las moléculas de nitrógeno neutras (verdes) son ionizadas (azules) debido a que lo electrones impactan contra ellas. A su vez el nitrógeno ionizado choca contra el cátodo, arrancando electrones del metal. Los electrones chocan contra el blanco produciendo rayos-X

Hoy en día seguimos utilizando la misma idea para generar rayos-X: acelerar electrones para que impacten contra un metal y produzcan rayos-X, aunque ahora los electrones los generamos calentando un filamento de tungsteno. Las máquinas de diagnóstico de los hospitales o los difractómetros de rayos-X utilizan este sistema para producirlos. Estas máquinas tienen un brillo (fotones por segundo en una superficie en una dirección dada) de 1013 fotones/s/mm2/mrad2/0.1%BW. Con brillos más altos podríamos estudiar la manera en la que los átomos de los materiales vibran o resolver la estructura de macromoléculas en tiempos muy cortos. Pero para esto necesitamos máquinas más grandes, necesitamos sincrotrones.

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European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble, Francia

Los sincrotrones son aceleradores de partículas en los que protones, electrones o iones son acelerados en trayectorias circulares a velocidades cercanas a la de la luz. Lo que tienen en común los tres ejemplos mencionados es que son partículas que poseen carga eléctrica por lo que al moverse en trayectorias curvas emitirán radiación electromagnética. Concretamente, si aceleras electrones a velocidades relativistas emitirán rayos-X al curvarse. Esto es precisamente lo que hacen los aceleradores de partículas que producen radiación sincrotrón; aceleran electrones a velocidades relativistas en trayectorias circulares y recogen los rayos-X que producen. Son factorías de luz.

Para forzar a los electrones a moverse en trayectorias circulares se utilizan imanes dipolares. Si tenemos un electrón moviéndose en un campo magnético éste curvará su trayectoria por la fuerza de Lorentz. Usando imanes dipolares podemos conseguir un brillo de unos 1017 fotones/s/mm2/mrad2/0.1%BW con un espectro continuo de longitudes de onda.

dipole
Los electrones (flecha roja) en presencia de un campo magnético H, sienten la fuerza de Loretnz F, curvando su trayectoria y emitiendo rayox-X (figura morada). Imagen: http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst2/prop.htm

Pero los físicos no nos conformamos con esto, nosotros queremos más brillo. Para conseguirlo tenemos que hacer que los electrones emitan más rayos-x, por lo que necesitamos que se curven más veces durante su trayectoria. Es aquí cuando entran en juego los onduladores.

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El haz de electrones (negro) sigue una trayectoria sinusoidal debido a la polaridad alternada de los imanes. La radiación sincrotrón emitida (conos naranjas) es extremadamente brillante y direccional. Imagen:http://photon-science.desy.de/research/studentsteaching/primers/storage_rings__beamlines/index_eng.html

Los onduladores consisten en una serie de imanes con polaridad alternada N/S/N/S/N/S. Cuando los electrones pasan por estos elementos se mueven de manera sinusoidal, cambiando muchas veces de dirección y por lo tanto emitiendo más rayos X. Y ahora es cuando viene la jugada maestra. Si la distancia entre los imanes es la adecuada, podemos hacer que los rayos-x producidos en un punto del ondulador interfieran de manera constructiva con otros rayos-x emitidos más adelante, creando así un efecto de resonancia que multiplica el brillo por órdenes de magnitud, alcanzando los 1025 fotones/s/mm2/mrad2/0.1%  y con longitudes de onda muy específicas. Acabamos de generar una de las luces más brillantes del mundo.

Existen multitud instalaciones que producen radiación sincrotrón repartidas por el globo: Bessy II (Adlershof), Alba (Barcelona), Soleil (Paris)… pero los cuatro más grandes tanto por tamaño como por energía a la que aceleran los electrones son ESRF (Grenoble), SPRING8 (Hyogo), PETRA III (Hamburgo) y APS (Chicago). Este tipo de instalaciones son centros multidisciplinares a los que acuden científicos de todas las ramas del saber: físicos, químicos, biólogos, geólogos… ya que ofrecen una inmensa cantidad de técnicas experimentales con las que se puede, por ejemplo, determinar la estructura de una proteína, caracterizar materiales magnéticos complejos  o estudiar superconductores a presiones muy altas.

Los sincrotrones se han convertido en una herramienta indispensable para la mayoría de las disciplinas científicas, y han dejado de ser grandes instalaciones reservadas a los físicos de partículas. Fábricas de luz al servicio del saber.

Referencias:

Web de ESRF 

Web de APS

Synchrotron Sources and Methods

Applications of the Radiation from Fast Electron Beams

On a new kind of rays, W. K. L Roetgen

 

 

 

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3 Comentarios Agrega el tuyo

  1. Facundo Cabrera dice:

    Hola, ¡muy bueno el articulo!. ¿Saben de que manera se almacena esa radiación?

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    1. Hola Facundo, me alegro de que te guste.

      La radiación no se almacena en ningún sitio. Los electrones van dando vueltas al sincrotrón y cada vez que pasan por los onduladores emiten rayos-X que se focalizan mediante espejos y cristales en la muestra que estás interesado en medir

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