XI. RADIACI�N DE SINCROTR�N

RESULTA curioso que lo que en alguna ocasi�n fue considerado un desperdicio y un estorbo sea ahora raz�n suficiente para crear enormes m�quinas. Se trata de la radiaci�n de sincrotr�n. Sucede que para estudiar las propiedades de la materia en sus manifestaciones m�s peque�as, las part�culas elementales, se dise�aron aceleradores de electrones. Se pretende tomar un electr�n y hacerlo moverse a gran velocidad. Esto no es de ninguna manera trivial ya que, al alcanzar grandes velocidades, la relatividad empieza a desempe�ar su papel y lograr un peque�o aumento de velocidad requiere de grandes inversiones de energ�a.

En la actualidad existe el famoso acelerador lineal de Stanford, que acelera part�culas cargadas a lo largo de distancias de kil�metros. A diferencia del acelerador lineal de Stanford, los sincrotrones aumentan la energ�a cin�tica de los electrones manteni�ndolos en trayectorias circulares. Esto brinda una nueva caracter�stica al proceso. La teor�a electromagn�tica nos ha mostrado sobradamente que una carga, al acelerarse, radiar�. Diariamente aprovechamos este fen�meno en la radio, por ejemplo.

Si se logra mantener un electr�n en trayectoria circular se tienen dos componentes de la aceleraci�n: la aceleraci�n conectada con el aumento de velocidad y la relacionada con el cambio de direcci�n del movimiento. El electr�n, debido a los cambios de direcci�n, emite radiaci�n tangencialmente a su trayectoria circular. Cuando lo que se quiere es un electr�n movi�ndose a grandes velocidades, esta radiaci�n significa una p�rdida de energ�a. Por ello, cuando se iniciaba el uso de los sincrotrones se consideraba un desperdicio y un impedimento. Que era un desperdicio es bastante claro: la radiaci�n se aleja del haz de electrones siguiendo una trayectoria rectil�nea y tangencial al c�rculo de los electrones. Si se la deja ir, �Ojos que te vieron ir... ! Que era un estorbo tambi�n es claro, ya que las p�rdidas de energ�a que la radiaci�n significa son a cuenta de la energ�a invertida y obstaculizan el camino para llevar a los electrones a mayores energ�as.

Los sincrotrones no son realmente circulares, sino que alternan tramos circulares con tramos rectos hasta cerrar la trayectoria. Se usan varios tipos de magnetos. La primera clase, constituida de magnetos multipolares, produce un campo magn�tico no uniforme que act�a como una lente y no deja que el haz de electrones se salga de una regi�n bien restringida: los electrones viajan hombro con hombro al dar la vuelta al sincrotr�n. Otro tipo de magnetos produce un campo uniforme que es perpendicular al plano de la trayectoria y obliga al cambio de trayectoria de los electrones.

En realidad hay dos tipos de m�quinas: los sincrotrones y los anillos de almacenamiento (Storage rings). La diferencia reside en que los sincrotrones aceleran haces de electrones llev�ndolos a altas energ�as por breves momentos y los anillos de almacenaje mantienen haces de electrones de alta energ�a circulando por horas. Ambos gastan enormes cantidades de energ�a, sobre todo los anillos de almacenamiento, ya que tienen que estar reponiendo la energ�a perdida por radiaci�n. Para este fin se usan cavidades con campos electromagn�ticos que oscilan a radiofrecuencias.

Pronto naci� la idea de aprovechar la radiaci�n. Junto a la actitud de considerar al sincrotr�n como una fuente de haces de electrones de alta energ�a empez� a crecer paulatinamente la de considerar la radiaci�n emitida en los cambios de direcci�n de los electrones como lo m�s valioso. Si los primeros en aprovechar la radiaci�n fueron considerados unos par�sitos, ahora tendr�an que ser considerados unos invasores. Hay tantos usuarios que ahora se construyen sincrotrones con la finalidad primaria de aprovechar la radiaci�n.

M�ltiples aplicaciones de la radiaci�n de sincrotr�n se han ideado hasta el momento, dadas sus particulares caracter�sticas, pero muchas m�s aparecer�n en lo futuro. Veamos esas mentadas caracter�sticas que la hacen tan codiciada: en la actualidad, m�ltiples l�neas tangenciales sirven la radiaci�n de sincrotr�n a peque�os laboratorios que la usan en una gran variedad de aplicaciones.

La radiaci�n de sincrotr�n cubre un amplio rango de energ�as o longitudes de onda que abarca desde el infrarrojo hasta los rayos X. Se trata de la fuente m�s poderosa de radiaci�n continua en el VUV (se denota as� a la radiaci�n en la regi�n del ultravioleta que s�lo se propaga en distancias significativas en el vac�o) y en la regi�n de los rayos X. La intensidad de la radiaci�n (no s�lo los rayos X) producida por el sincrotr�n es mucho mayor que la de los tubos ordinarios, y tiene varias caracter�sticas m�s, entre ellas: la radiaci�n de sincrotr�n es sintonizable, de gran brillantez y polarizada.

Se tiene una fuente intensa de rayos X cuya longitud de onda puede ser sintonizada. Esto quiere decir que podemos escoger, de un continuo de valores de la longitud de onda, la que m�s se acomode a nuestras necesidades. La gran cosa, ya que los tubos ordinarios de rayos X trabajan en longitudes de onda fijas.

Cuando nos dicen que una luz es brillante todos entendemos m�s o menos lo mismo. Estamos acostumbrados a la idea de brillantez. En el caso de las fuentes de rayos X se aplica la misma definici�n que resulta al tratar de hacer preciso y cuantitativo el concepto de brillantez para la luz de longitudes de onda visibles. Se trata de una simple extensi�n: en ambos casos se trata de fotones. Nada m�s natural que extender un concepto que nace intuitivamente para la radiaci�n de la regi�n visible del espectro electromagn�tico (que tambi�n es parte de la emisi�n del sincrotr�n) y que lo que hace, en �ltima instancia, es contar fotones.

La brillantez depende de tres cantidades: a) n�mero de fotones emitidos cada segundo, b) �rea transversal de la fuente y c) �ngulo del haz. Obviamente la brillantez es proporcional al n�mero de fotones emitidos por segundo. Depende tambi�n del tama�o de la fuente. M�s precisamente de la secci�n transversal eficaz de la misma. Esta secci�n se debe entender de la siguiente manera. Si localizamos un eje para el haz, la secci�n de la fuente ser� el �rea proyectada sobre un plano normal al eje. Mientras m�s grande sea el �rea menos brillante ser� la fuente. En el caso del sincrotr�n, el haz de electrones, fuente de la radiaci�n, est� muy localizado y, por tanto, el �rea de la fuente es muy peque�a. La tercera cantidad, el �ngulo del haz, nos dice de qu� manera, al alejarnos, los fotones ir�n cubriendo un �rea cada vez mayor. Como estamos hablando de un haz de fotones, hay que tomar en cuenta que si el haz se abre mucho el n�mero de fotones que toca una superficie de, digamos, un cent�metro cuadrado, se va reduciendo a medida que nos vamos alejando. Por ello, en la definici�n de brillantez aparece el �ngulo que mide c�mo se abre el haz. En el haz emitido por un sincrotr�n los rayos son casi paralelos, del haz se abre muy poco.

Podemos decir, en resumen, que la brillantez mide algo as� como la concentraci�n con la que se reciben los fotones. La de la radiaci�n de sincrotr�n es un mill�n de veces la de las fuentes convencionales m�s intensas.

Las caracter�sticas tan especiales de la radiaci�n de sincrotr�n definen con precisi�n las �reas de empleo. Los m�dicos la usan en la microtomograf�a que tiene una resoluci�n mil veces mejor que la tomograf�a ordinaria.

En el caso de la f�sica de superficies se usa la difracci�n de rayos X para estudiar propiedades magn�ticas, o para el estudio de transiciones de fases de superficies (o mejor; de sistemas de dos dimensiones como capas superficiales y pel�culas de cristales l�quidos). En estas situaciones, los efectos son muy d�biles y s�lo fuentes muy intensas producen un n�mero razonable de rayos X dispersos.

El hecho de que la radiaci�n sea polarizada es esencial para varias aplicaciones. Por ejemplo, al estudiar la orientaci�n de mol�culas adsorbidas en superficies, ya que la probabilidad de que un electr�n de una mol�cula absorba un rayo X depende de la orientaci�n de la mol�cula con respecto a la polarizaci�n del fot�n y s�lo se podr� obtener informaci�n de orientaci�n con haces polarizados.