XI. RADIACIÓN DE SINCROTRÓN
RESULTA curioso que lo que en alguna ocasión fue considerado un desperdicio y un estorbo sea ahora razón suficiente para crear enormes máquinas. Se trata de la radiación de sincrotrón. Sucede que para estudiar las propiedades de la materia en sus manifestaciones más pequeñas, las partículas elementales, se diseñaron aceleradores de electrones. Se pretende tomar un electrón y hacerlo moverse a gran velocidad. Esto no es de ninguna manera trivial ya que, al alcanzar grandes velocidades, la relatividad empieza a desempeñar su papel y lograr un pequeño aumento de velocidad requiere de grandes inversiones de energía.
En la actualidad existe el famoso acelerador lineal de Stanford, que acelera partículas cargadas a lo largo de distancias de kilómetros. A diferencia del acelerador lineal de Stanford, los sincrotrones aumentan la energía cinética de los electrones manteniéndolos en trayectorias circulares. Esto brinda una nueva característica al proceso. La teoría electromagnética nos ha mostrado sobradamente que una carga, al acelerarse, radiará. Diariamente aprovechamos este fenómeno en la radio, por ejemplo.
Si se logra mantener un electrón en trayectoria circular se tienen dos componentes de la aceleración: la aceleración conectada con el aumento de velocidad y la relacionada con el cambio de dirección del movimiento. El electrón, debido a los cambios de dirección, emite radiación tangencialmente a su trayectoria circular. Cuando lo que se quiere es un electrón moviéndose a grandes velocidades, esta radiación significa una pérdida de energía. 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 radiación se aleja del haz de electrones siguiendo una trayectoria rectilínea y tangencial al círculo de los electrones. Si se la deja ir, ¡Ojos que te vieron ir... ! Que era un estorbo también es claro, ya que las pérdidas de energía que la radiación significa son a cuenta de la energía invertida y obstaculizan el camino para llevar a los electrones a mayores energías.
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 magnético no uniforme que actúa como una lente y no deja que el haz de electrones se salga de una región bien restringida: los electrones viajan hombro con hombro al dar la vuelta al sincrotrón. 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 máquinas: los sincrotrones y los anillos de almacenamiento (Storage rings). La diferencia reside en que los sincrotrones aceleran haces de electrones llevándolos a altas energías por breves momentos y los anillos de almacenaje mantienen haces de electrones de alta energía circulando por horas. Ambos gastan enormes cantidades de energía, sobre todo los anillos de almacenamiento, ya que tienen que estar reponiendo la energía perdida por radiación. Para este fin se usan cavidades con campos electromagnéticos que oscilan a radiofrecuencias.
Pronto nació la idea de aprovechar la radiación. Junto a la actitud de considerar al sincrotrón como una fuente de haces de electrones de alta energía empezó a crecer paulatinamente la de considerar la radiación emitida en los cambios de dirección de los electrones como lo más valioso. Si los primeros en aprovechar la radiación fueron considerados unos parásitos, ahora tendrían que ser considerados unos invasores. Hay tantos usuarios que ahora se construyen sincrotrones con la finalidad primaria de aprovechar la radiación.
Múltiples aplicaciones de la radiación de sincrotrón se han ideado hasta el momento, dadas sus particulares características, pero muchas más aparecerán en lo futuro. Veamos esas mentadas características que la hacen tan codiciada: en la actualidad, múltiples líneas tangenciales sirven la radiación de sincrotrón a pequeños laboratorios que la usan en una gran variedad de aplicaciones.
La radiación de sincrotrón cubre un amplio rango de energías o longitudes de onda que abarca desde el infrarrojo hasta los rayos X. Se trata de la fuente más poderosa de radiación continua en el VUV (se denota así a la radiación en la región del ultravioleta que sólo se propaga en distancias significativas en el vacío) y en la región de los rayos X. La intensidad de la radiación (no sólo los rayos X) producida por el sincrotrón es mucho mayor que la de los tubos ordinarios, y tiene varias características más, entre ellas: la radiación de sincrotrón 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 más 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 más o menos lo mismo. Estamos acostumbrados a la idea de brillantez. En el caso de las fuentes de rayos X se aplica la misma definición 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 extensión: en ambos casos se trata de fotones. Nada más natural que extender un concepto que nace intuitivamente para la radiación de la región visible del espectro electromagnético (que también es parte de la emisión del sincrotrón) y que lo que hace, en última instancia, es contar fotones.
La brillantez depende de tres cantidades: a) número de fotones emitidos cada segundo, b) área transversal de la fuente y c) ángulo del haz. Obviamente la brillantez es proporcional al número de fotones emitidos por segundo. Depende también del tamaño de la fuente. Más precisamente de la sección transversal eficaz de la misma. Esta sección se debe entender de la siguiente manera. Si localizamos un eje para el haz, la sección de la fuente será el área proyectada sobre un plano normal al eje. Mientras más grande sea el área menos brillante será la fuente. En el caso del sincrotrón, el haz de electrones, fuente de la radiación, está muy localizado y, por tanto, el área de la fuente es muy pequeña. La tercera cantidad, el ángulo del haz, nos dice de qué manera, al alejarnos, los fotones irán cubriendo un área cada vez mayor. Como estamos hablando de un haz de fotones, hay que tomar en cuenta que si el haz se abre mucho el número de fotones que toca una superficie de, digamos, un centímetro cuadrado, se va reduciendo a medida que nos vamos alejando. Por ello, en la definición de brillantez aparece el ángulo que mide cómo se abre el haz. En el haz emitido por un sincrotrón los rayos son casi paralelos, del haz se abre muy poco.
Podemos decir, en resumen, que la brillantez mide algo así como la concentración con la que se reciben los fotones. La de la radiación de sincrotrón es un millón de veces la de las fuentes convencionales más intensas.
Las características tan especiales de la radiación de sincrotrón definen con precisión las áreas de empleo. Los médicos la usan en la microtomografía que tiene una resolución mil veces mejor que la tomografía ordinaria.
En el caso de la física de superficies se usa la difracción de rayos X para estudiar propiedades magnéticas, o para el estudio de transiciones de fases de superficies (o mejor; de sistemas de dos dimensiones como capas superficiales y películas de cristales líquidos). En estas situaciones, los efectos son muy débiles y sólo fuentes muy intensas producen un número razonable de rayos X dispersos.
El hecho de que la radiación sea polarizada es esencial para varias aplicaciones. Por ejemplo, al estudiar la orientación de moléculas adsorbidas en superficies, ya que la probabilidad de que un electrón de una molécula absorba un rayo X depende de la orientación de la molécula con respecto a la polarización del fotón y sólo se podrá obtener información de orientación con haces polarizados.
