Fundamentos de la radiación de sincrotrón y algunas de sus aplicaciones

La radiación de sincrotrón es la radiación electromagnética generada por partículas cargadas, por ejemplos electrones, que se mueven en una trayectoria curva a alta velocidad en un campo magnético.

Coloquialmente se le conoce como luz solo a la parte visible del espectro electromagnético, es decir, el rango de longitudes de onda que podemos ver con nuestros ojos, pero en general podemos utilizar el término de luz para referirnos al rango de espectro electromagnético que va desde el infrarrojo a los rayos X.

Espectro electromagnético

¿Qué es un sincrotrón?

Un sincrotrón es un gran acelerador circular de partículas cargadas, generalmente electrones, que produce luz con unas propiedades extraordinarias. Se basa en un acelerador circular de partículas cargadas, generalmente electrones, que se mueven a una velocidad próxima a la de la luz (300,000 km/s) y con tanta energía que llegan al orden del GeV (1 GeV = 1000000000 eV). Estas máquinas son capaces de producir radiación electromagnética de alta intensidad, polarizada, pulsada y con longitudes de onda que comprenden desde los rayos X hasta la luz infrarroja.

ALBA, sincrotrón
Emplazado en Barcelona, en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona en Cerdañola del Vallés.

¿Qué es la radiación de sincrotrón?

Está bien establecido que toda partícula cargada que es acelerada produce radiación electromagnética y es un fenómeno muy bien estudiado y bastante aplicado en la sociedad actual. Ejemplos cotidianos de ello son las antenas, que producen ondas de radiofrecuencia gracias al movimiento acelerado de electrones en un hilo conductor. O el magnetrón de los microondas con los que calentamos nuestra comida.

La luz de sincrotrón es producida cuando se aplica una aceleración centrípeta a un haz de electrones y tiene propiedades excepcionales que la hacen muy interesante para estudios de todo tipo de estructuras químicas, biológicas, arqueológicas, así como para aplicaciones médicas e industriales.

En primer lugar, esta luz tiene un rango espectral bastante amplio, cubriendo el rango que va del infrarrojo a los rayos X. En segundo lugar, una de las propiedades únicas de esta luz es su alta densidad de intensidad, es decir, su brillo. Esto permite hacer experimentos en tiempos muy cortos, con una excelente relación señal/ruido y con una alta resolución en energía. La realización de experimentos con intervalos de tiempo muy cortos permite observar procesos en tiempo real, como transiciones de fase o de cualquier tipo de transformación química o estructural. La excelente relación señal/ruido nos permite determinar con mayor claridad la estructura de macromoléculas mediante difracción.

Por último, el pequeño diámetro del haz de luz permite disminuir el error al seleccionar una determinada energía de fotón, es decir, permite aumentar la resolución en energía. Para esta selección de energía de fotón, que como mencionamos anteriormente va del infrarrojo a los rayos X, se hace mediante monocromadores que difractan cada energía a un determinado ángulo, como lo hace un prisma con la luz visible. Los monocromadores pueden consistir en cristales de Silicio o Germanio, en el caso de rayos X de alta energía.

Es importante mencionar que el haz de electrones que circula dentro del sincrotrón no es continuo, sino que está formado por “paquetes” de electrones separados por una cierta distancia. Como resultado a esto, la luz que emiten estos electrones es generada en pulsos cortos. Estos periodos de luz y ausencia de luz son de algunos nanosegundos y picosegundos, respectivamente.

Diseño básico de un sincrotrón

  1. Cañón de electrones.
  2. Acelerador lineal o LINAC, por sus siglas en inglés
  3. Acelerador circular llamado Booster ring
  4. Anillo de contención
  5. Líneas de Luz
  6. Estaciones experimentales

Cuando se calienta un metal, los electrones en su interior se excitan lo suficiente como para escapar de la superficie en un proceso conocido como emisión termoiónica. El cañón de electrones de un sincrotrón es muy similar al que se encuentra en un televisor común, excepto que en un televisor es considerablemente más pequeño.

Una vez que se liberan los electrones, son dirigidos por el acelerador lineal o LINAC. Este encaja en el Booster ring, que utiliza campos magnéticos para forzar a los electrones a viajar en un círculo. Aquí se utilizan microondas para agregar aún más energía a los electrones. Sin embargo, es en el anillo de almacenamiento donde se produce realmente la radiación. Este anillo no es completamente circular, se parece más a una forma de varios lados (como un octágono).

Una partícula cargada en movimiento sometida a un campo magnético perpendicular a su trayectoria experimenta una fuerza. Si el campo es constante, la partícula describe un movimiento circular.

Alrededor del anillo de almacenamiento se colocan una serie de dispositivos electromagnéticos (dipolos y onduladores) que hacen que el rayo se curve u ondule en una trayectoria serpenteante y aquí es donde tiene lugar el efecto clave: cada vez que el rayo pasa por una esquina con estos imanes, los electrones pierden energía liberándola en forma de luz.

Estos imanes son ajustables. Si la intensidad del campo magnético aumenta, las fuerzas en la corriente de electrones aumentan, creando curvas más apretadas a lo largo de su camino. Este cambio en la curva produce un cambio en la longitud de onda de la radiación emitida. Una curva cerrada produce radiación de longitud de onda corta, como los rayos X. Mientras que las curvas suaves producen radiación de longitud de onda más larga, como la infrarroja.

Las líneas de luz tienen muchos dispositivos ópticos que controlan la luz para el inductor, enfocando, midiendo y purificando el haz a lo largo de su trayectoria final. Se pueden agregar hasta 20 estaciones de trabajo individuales al sicrontron. Aquí es donde tiene lugar el trabajo experimental. Cada línea de luz constituye un verdadero laboratorio para preparar y analizar muestras, analizar la información obtenida y así estudiar diversos problemas científicos: desde obras de arte renacentista hasta enfermedades crónico degenerativas.

Algunas aplicaciones de la radiación de sincrotrón

La humanidad conoce los efectos benignos de la luz desde hace más de tres milenios. Los antiguos egipcios, chinos e indios la utilizaban para tratar diferentes enfermedades como psoriasis, raquitismo y vitíligo. Más recientemente se ha utilizado para trata la ictericia neonatal (alta bilirrubina). El uso de la luz para tratar condiciones médicas se ha popularizado y especializado con el paso del tiempo, actualmente se pueden tratar el cáncer de piel, pulmón, cerebro, esófago, entre otros.

Veamos a continuación algunos ejemplos de aplicaciones de la luz de sincrotrón:

Química: En el análisis de los elementos químicos, las proteínas y sus estructuras, así como de los procesos químicos orgánicos e inorgánicos.

Medicina: En el desarrollo de técnicas de imagen y diagnóstico menos invasivas y más precisas, permitiendo una menor exposición neta a la radiación tradicional de rayos X. También en el desarrollo de terapias, como lo es el MRT (terapia de microhaz sincrotrón) que puede ser utilizada para tratar tumores que no son operables actualmente.

Biología: En el ámbito de la microscopía, ya que la luz de sincrotrón proporciona imágenes de alta resolución de las células en condiciones más detalladas que las ofrecidas por las técnicas convencionales. Eso nos ha permitido comprender misterios del cuerpo humano y de los mecanismos de la vida que antes resultaban imposibles de observar.

Física de materiales: Análisis estructural, cristalino y amorfo de materiales. Técnicas que permiten analizar rápidamente los materiales desconocidos y de realizar la caracterización de los materiales en los campos tales como la metalurgia, la mineralogía, la ciencia forense, computacionales, la arqueología, arte, física condensada de la materia, y las ciencias biológicas y farmacéuticas

Composición de un sincrotrón y sus laboratorios multidisciplinarios con distintas aplicaciones

Otras líneas de luz estudian la materia en condiciones especiales. Se pueden, por ejemplo, realizar experimentos de difracción a muy altas presiones utilizando una celda de diamante, que consiste en dos cristales de diamante presionando el material de interés que está confinado en una cápsula especial. La alta dureza del diamante permite aplicar presiones millones de veces más altas que la presión atmosférica. Estas presiones son comparables a las que se alcanzan en el centro de la tierra y, por tanto, permiten estudiar el estado de la materia a 5500°C y 3,6 millones de bares, para intentar responder a la pregunta de cuál es la estructura real de aleaciones de Fe-Ni en el centro de la Tierra.

Sin duda las fuentes de radiación sincrotrón son una de las formas más exitosas en el campo de los aceleradores de partículas, siendo las máquinas más modernas y complejas de la investigación básica y aplicada de nuestro tiempo. Los haces producidos hoy día en aceleradores de partículas se orientan al estudio de los problemas de nuestra época: energía, ambiente, empleos dignos y seguridad económica, salud, entre otros.

El desarrollo continuo de la tecnología de aceleradores de partículas, como el sincrotrón, dará a los científicos las herramientas necesarias para realizar descubrimientos en todas las ramas del conocimiento humano.

Si quieres conocer más del tema, te recomiendo visitar los siguientes enlaces:

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