Alba: la luz sincrotrón española.

En marzo de 2010, en Cerdanyola del Vallés (Barcelona), se inaugura el sincrotrón ALBA. Habiendo costado unos 200 millones de Euros, es sin duda una de las instalaciones científicas más importantes de España. No obstante, mucha gente no sabe que España tiene esta instalación puntera ni para qué sirve, esperemos aclararlo un poco.

El sincrotrón es básicamente una instalación que utiliza electrones acelerados para generar rayos X, que son utilizados para diversos tipos de investigaciones. Esta generación de rayos X se fundamenta en el movimiento de los electrones: cuando un electrón se mueve y cambia la dirección de su movimiento, emite energía.

En una visión más general, teniendo en cuenta efectos relativistas, uno se puede imaginar a los electrones viajando a velocidades cercanas a la de la luz (c = 3x108 m/s) y al ser forzados a cambiar su movimiento bajo la acción de campos magnéticos, se produce una emisión de luz con unas propiedades características, la llamada radiación sincrotrón. Esta radiación es producida en una instalación sincrotrón de tamaño aproximado a cuatro campos de futbol. Aquí, los electrones son acelerados a una energía extremadamente alta y se les hace cambiar de dirección periódicamente para conseguir la emisión de este singular tipo de luz.

¿De dónde proviene la luz del sincrotrón? Básicamente del movimiento de los electrones. Los electrones son generados en un cañón de haz electrónico por emisión termiónica desde un cátodo de wolframio calentado, de la misma forma que se hace en un tubo de rayos X o en un antiguo televisor de rayos catódicos. Una vez generado, este haz es acelerado en un acelerador lineal (linac1) mediante campos eléctricos hasta una energía de alrededor de 100 MeV. En este punto, el haz es transferido al anillo intensificador de señal o booster, donde se intensifica a energías desde millones (106) a giga (109) electrón voltios (GeV) con la ayuda de imanes muy potentes (¡2000 veces más intensos que el campo magnético de la Tierra!) y campos eléctricos. El sincrotrón español (ALBA), que se puede ver en la figura 1, tiene una energía de 3 GeV. En este punto, el haz de electrones es enviado al anillo de almacenamiento donde los campos magnéticos lo mantienen confinado. Para hacernos una idea, los electrones se mantienen girando alrededor de una circunferencia que en el caso de ALBA tiene 269 metros. Este ciclo es repetido 3 veces por segundo.

Figura 1.

                           

Durante el tiempo que el haz está en el anillo de almacenamiento, este haz está gradualmente decayendo debido a las colisiones de los electrones con moléculas de gas residual y con otros electrones. Para minimizar estas pérdidas, el haz transita por dentro de una cámara circular a ultra-alto vacío, a alrededor de 10-10 milibares, equivalente a la presión atmosférica en la Luna. Sin embargo, incluso en estas condiciones el haz necesita ser recargado una o varias veces al día para que su intensidad no decrezca tanto.

El anillo de almacenamiento tiene que ser visto como una estructura consistente en secciones arqueadas, donde actúan los imanes desviadores de dipolo (BM) y secciones rectas, donde se disponen unos dispositivos de inserción (ID: onduladores y wigglers) como se ve en la figura 1. Los BMs son usados para desviar los electrones a lo largo de las secciones arqueadas y producen una radiación que es menos intensa en términos de brillo a la producida por los IDs.

La aparición de estos últimos (IDs) son los que han definido las fuentes de radiación sincrotrón de tercera generación, tales como ALBA. Estas fuentes están diseñadas para obtener un flujo óptimo con el máximo brillo. De hecho, estas dos propiedades indican la calidad de una instalación sincrotrón. El flujo espectral está definido por el número de fotones por segundo y por ancho de banda (~ 0.1%) atravesando un área definida y se explota como haz blanco de rayos X (es decir, no monocromático sino con todas las longitudes de onda mezcladas), aquí es más importante la intensidad del haz que su tamaño. Para focalizar el haz en un foco de tamaño reducido se explota otra de las cualidades de los sincrotrones, el brillo del haz2. Este último parámetro, el brillo, establece el foco más pequeño al que se puede llegar con el haz de rayos X y determina cómo está distribuido el flujo tanto angular como espacialmente. Así podemos definir el brillo como la cantidad de potencia por unidad de frecuencia, área y ángulo sólido.

Hay un continuo desarrollo de elementos ópticos que optimizan estas propiedades del haz sincrotrón en las llamadas fuentes de tercera generación. Sin embargo, hay que mencionar que existen fuentes de cuarta generación ya disponibles que están basadas en láseres de electrones libres (FELs). Estas nuevas instalaciones son capaces de producir pulsos de luz coherente muy cortos y con un pico muy alto de intensidad y brillo3.

Figura 2.

                                    

El destino final de la radiación sincrotrón es la línea, que está posicionada tangencialmente al anillo de almacenamiento de forma que se captura la luz de sincrotrón (fotones del haz de rayos X) procedente del anillo. Para los usuarios, la línea es la parte de la instalación sincrotrón que despierta mayor interés. La primera parte que se encuentra el haz de rayos X es la cabaña óptica, donde los fotones son entregados por los imanes del anillo. Esta sección incorpora varios dispositivos como filtros, atenuadores, espejos y monocromadores que se usan para enfocar y seleccionar la longitud de onda (energía) deseada para cada experimento. Éstos se realizan en la segunda estación de la línea llamada estación final o cabaña experimental. La mayoría de estos experimentos están alojados dentro de un recinto que apantalla la radiación, para que los trabajadores de la línea y los usuarios estén protegidos de los rayos X nocivos. Debido a que los científicos no pueden entran en las cabañas durante la recolección de los datos, el equipamiento está controlado remotamente en la cabaña de control vía motores y dispositivos robóticos.

La radiación sincrotrón es extremadamente intensa (cientos de veces más intensa que la de un tubo de rayos X que se pueda encontrar en un laboratorio convencional) y cubre un amplio rango de energías, desde el infrarrojo y ultravioleta pasando por el visible hasta la región del espectro electromagnético perteneciente a los rayos X duros y blandos.

Las técnicas de sincrotrón también abarcan un gran número de aplicaciones desde las biológicas a los materiales industriales, como se muestra en la figura 1. El amplio rango de instrumentos y longitudes de onda disponibles permiten determinar el tamaño, la forma de los materiales y elucidar sus estructuras. Desde el punto de vista biológico se pueden resolver estructuras de proteínas y virus (ver el ejemplo de XALOC mostrado en la figura 1), obtener imágenes y mapas de cómo se pueden invertir las alteraciones producidas en células infectadas mediante ciertos fármacos (MISTRAL) e investigar largos acoplamientos moleculares como polímeros, proteínas, fibras y otras soluciones biológicas (ver NCD). Químicamente, la estructura de materiales masivos puede ser estudiada mediante difracción y espectroscopía de absorción tanto en condiciones ambiente como en condiciones extremas de presión y temperatura (MSPD y CLAESS). Las propiedades avanzadas de la luz sincrotrón en términos de precisión, especificidad y oportunidad comparada con el laboratorio convencional lidian bien con ese tipo de estudios avanzados. Actualmente, es posible desarrollar experimentos usando la luz sincrotrón (MSPD) en materiales sujetos a un amplio rango de presiones y temperaturas, excediendo la condiciones encontradas en la Tierra (363 GPa – más de 3 milliones de veces la presión atmosférica) y alcanzadas por otros planetas (~ 1TPa)4.

Figura 3.

                                           

Los estudios experimentales en materiales 2D como capas delgadas, superficies e interfases también se pueden realizar mediante la radiación sincrotrón. De esta forma, se puede ahondar en el conocimiento y obtener información a una profundidad de unos pocos nanómetros para materiales magnéticos (BOREAS) o incluso seguir reacciones químicas en la escala atómica en diferentes catalizadores (CIRCE). Un estudio reciente describió la coexistencia de magnetismo y superconductividad en superconductores de alta temperatura basados en cupratos6, contrario a la creencia común que dichas propiedades son fenómenos excluyentes.

El uso de la radiación sincrotrón es una herramienta enormemente aprovechable en la que el conocimiento de la escala atómica puede ser obtenido de manera relativamente sencilla gracias al gran número de técnicas que permite. La combinación de investigación y radiación sincrotrón ha abierto nuevas perspectivas en el estudio de la naturaleza de los materiales antes mencionados con resultados en un amplio número de campos.

Esta entrada está escrita por Catalin Popescu, investigador en la línea MSPD de Alba.

1 Alba-Cells, Spanish synchrotron website. https://www.cells.es/en/accelerators/operations

² P. Willmott, An introduction to synchrotron radiation (John Wiley and Sons Press, UK, 2011).

³ S. Mobilio, F. Boscherini, C. Menenghini, Synchrotron Radiation – Basics, Methods and Applications (Springer Press, Berlin, 2015).

⁴ Alba news: researchers probe thallium under extreme conditions and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/researchers-probe-thallium-under-extreme-conditions

⁵ T. S. Duffy, Mineralogy at the extremes, Nature 451, 06584 (2008). http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7176/full/nature06584.html

⁶ Alba news: the hidden mechanism in high temperature superconductors and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/the-hidden-magnetism-in-high-temperature-superconductors