Los rayos X, son una de las mejores herramientas para informarse sobre las propiedades de la materia. La capacidad de la radiación de alta energía, para pasar a través de muchos tipos de materia, revelando detalles ocultos, la forma en que se refracta a través de los planos de los cristales para desbloquear sus estructuras complejas, su capacidad para bombear la energía en los sistemas: todos estos han sido utilizados por los científicos - y cada vez más por los ingenieros - durante casi un siglo.
Pero la generación de rayos X de alta intensidad suficiente toma grandes equipos. Aunque los ingenieros, están logrando resultados muy prometedores de la fuente brillante de rayos X del sincrotrón Diamond en Harwell, esto sólo es posible debido a la magnitud del dispositivo: A 500 metros de circunferencia, y un cuarto que cueste más de uno de mil millones de libras. Pero esto podría ser a cambiar, gracias al trabajo por un consorcio internacional de científicos que han ideado una fuente de rayos X más potente que los de la construcción de un sincrotrón de tamaño - pero lo suficientemente pequeño como para sentarse en una mesa de laboratorio.
El equipo, que incluyó a investigadores del Imperial College de Londres, la Universidad de Michigan y el Instituto Superior Technico de Lisboa, ha generado un haz de lápiz de grosor de X de alta energía de rayos de los aparatos de un metro de diámetro. Beneficiándose de una € 10m (£ 8,7 millones) LaserLab subvención de la Comisión Europea el proyecto de Europa, el sistema fue desarrollado en la Universidad de Michigan, Centro de Ciencia Óptica ultrarrápida, con su haz de luz láser de alta potencia petavatios, Hércules.
Los rayos X, se generan al pasar el rayo láser intenso de Hércules a través de un plasma, que a su vez se ha generado por la energía del láser, quitando los electrones del helio en un espacio de 3-10mm del gas inerte. El láser genera un fenómeno conocido como 'Wakefield' en el plasma - un campo eléctrico que puede ser más de mil veces más fuerte que los generados por las tecnologías convencionales de sincrotrón. Este campo acelera los electrones del plasma a muy altas velocidades - impartir la energía cinética en el rango de GeV - a una distancia de 10 mm.
Esta es la primera parte del proceso de generación de rayos-X. Para realmente producir la radiación, los electrones tienen que ser inducido a cambiar de dirección, lo que les obliga a reducir la velocidad y por lo tanto, arrojar algo de su energía. En los sincrotrones, esto se hace mediante campos magnéticos, otras fuentes Wakefield también han utilizado esta técnica, que ha producido la luz visible o casi visible. El grupo LaserLab utiliza un método diferente: un fenómeno conocido como oscilaciones betatrón, que surge a causa de la separación de la carga creada cuando los electrones cargados negativamente son despojados de sus núcleos con carga positiva.
El láser forma una burbuja de plasma en el chorro de gas, y el haz de electrones se ve obligado a "mover" por las partículas cargadas que lo rodea.
Esto interrumpe el flujo de electrones y genera rayos X con energías de 1-100keV, que es de alrededor de mil veces más brillante que las anteriores fuentes de rayos X impulsado por láser. Por otra parte, el haz no se propaga a lo largo de su trayectoria, lo que es lo que se conoce como un haz colimado, coherente - una variedad que es muy útil para la ciencia y la ingeniería, debido a la posición estrechamente controlada y energía conocido de los rayos X. El rayo también es muy estrecho - sólo una micra de ancho - que permiten a los investigadores utilizan para investigar características muy pequeños y muestras.
"Este es un desarrollo muy emocionante," dijo Stefan Kneip del departamento de física de Imperial, el autor principal del trabajo de investigación del grupo ha publicado en la revista Nature Physics para describir sus resultados. "Hemos dado los primeros pasos para hacer más fácil y más barato para producir alta energía, de alta calidad de los rayos X". El sistema produce rayos X que cientos de fuentes rivalizan con los de sincrotrón de metros de largo, agregó. "Aunque nuestra técnica no ahora compiten directamente con las pocas fuentes de rayos X grande en todo el mundo, para algunas aplicaciones que permitirá a las medidas importantes que no han sido posible hasta ahora."
Una limitación evidente del sistema es que sólo es capaz de producir pulsos muy cortos de rayos X, en torno a un femtosegundo. Esto significa que no es capaz de llevar a cabo estudios que requieren una fuente constante; los que aún se requieren grandes sincrotrones como Diamond.
Sin embargo, los pulsos de femtosegundos tienen una capacidad muy valiosa. Al igual que los breves destellos de una luz estroboscópica, se puede congelar el movimiento de los acontecimientos que suceden muy rápido. En la escala de femtosegundos, esto significa que pueden aislar a los acontecimientos que suceden en los tamaños atómicos.
Un sistema como el nuestro podría llegar a aumentar considerablemente la resolución de sistemas de imágenes médicas de alta energía con rayos X
Najmudin Zulfikar, Imperial College
El líder del equipo del Imperial College, Zulfikar Najmudin, explicó que las aplicaciones de esta podrían extenderse de ciencias de la vida a la ingeniería. "Creemos que un sistema como el nuestro podría tener muchos usos", dijo. "Por ejemplo, con el tiempo podría aumentar drásticamente la resolución de sistemas de imágenes médicas con alta energía de rayos X, así como permitir que las grietas microscópicas en los motores de las aeronaves que deben observarse con mayor facilidad. También podría ser desarrollado para aplicaciones específicas donde los pulsos ultracortos de estos rayos X pueden ser utilizados por los investigadores para "congelar" el movimiento sin precedentes en escalas de tiempo cortas.
Por supuesto, la investigación se encuentra todavía en una fase muy temprana, aunque el equipo que genera los rayos X es sólo un metro a cada lado, el láser petavatios utiliza para generar el plasma no es una herramienta común. "Nuestra técnica se puede utilizar ahora para producir imágenes detalladas de rayos X, dijo Najmudin. Sin embargo, añadió: "láseres de alta potencia son actualmente muy difíciles de usar y son caros, lo que significa que no estamos en una etapa en la que podría hacer un sistema barato de rayos-X ampliamente disponibles. La tecnología láser está avanzando rápidamente, así que estamos optimistas de que en pocos años habrá un fiable y fácil de usar fuente de rayos X disponibles que explotan nuestros resultados. "
Mientras tanto, Najmudin se concentra en la investigación de la física detrás de la nueva fuente de rayos-X. "Actualmente estamos desarrollando nuestro equipo y nuestra comprensión de los mecanismos de generación de manera que podamos aumentar la tasa de repetición de esta fuente de rayos X".
En los archivos sincronizados
En 1956, el ingeniero informó sobre los primeros días de lo que ahora tal vez sincrotrones más conocidos del mundo en el CERN en Ginebra
CERN tiene el compromiso de la tarea de construcción y operación de un laboratorio internacional. Las instalaciones principales consisten en dos aceleradores para la investigación sobre las partículas de alta energía. Uno de estos aceleradores es un sincrociclotrón 600MeV, cuyo diseño se terminó en 1955 con vistas a la realización de los equipos en 1957. El segundo es un sincrotrón de protones 25GeV, que será terminado en 1960.
En el camino circunferencial descrito por las partículas hay 50 períodos de imán y 100 unidades de imán. Cada grupo magnético consiste en un sector de enfoque y desenfoque de un sector. Cada grupo magnético es 4,4 m de largo y la distancia en campo libre entre las unidades de imán es 1,6 m de largo. Cerca del momento de la inyección de las partículas de la sección de manga máxima, se calcula en 6 cm de alto por 10cm de ancho, asumiendo ciertas tolerancias en la construcción de la máquina. Todas las unidades del imán tienen que estar alineados con precisión a un círculo, la tolerancia radial que es de 0,6 mm al final de las unidades.
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