Una fuente de luz de sincrotrón es una fuente de radiación electromagnética (EM) producida generalmente por un anillo de almacenamiento , [1] con fines científicos y técnicos. Observada por primera vez en sincrotrones , la luz de sincrotrón ahora se produce por anillos de almacenamiento y otros aceleradores de partículas especializados , típicamente acelerando electrones . Una vez que se ha generado el haz de electrones de alta energía, se dirige a componentes auxiliares como imanes de flexión y dispositivos de inserción ( onduladores o wigglers ) en anillos de almacenamiento y láseres de electrones libres . Estos suministran los fuertes campos magnéticos perpendiculares al haz que se necesitan para estimular los electrones de alta energía para que emitan fotones .
Las principales aplicaciones de la luz de sincrotrón se encuentran en la física de la materia condensada , la ciencia de los materiales , la biología y la medicina . Una gran parte de los experimentos que utilizan luz de sincrotrón implican el estudio de la estructura de la materia desde el nivel subnanómetro de la estructura electrónica hasta los niveles micrométricos y milimétricos importantes en la obtención de imágenes médicas . Un ejemplo de una aplicación industrial práctica es la fabricación de microestructuras mediante el proceso LIGA .
El sincrotrón es uno de los tipos de fuente de luz más caros que se conocen, pero es prácticamente la única fuente luminosa viable de radiación de banda ancha en el rango de longitud de onda del infrarrojo lejano para algunas aplicaciones, como la espectrometría de absorción del infrarrojo lejano.
La principal cifra de mérito utilizada para comparar diferentes fuentes de radiación de sincrotrón se ha denominado "brillo", "luminosidad" y "brillo espectral", siendo este último término el recomendado como la mejor opción por el Grupo de Trabajo sobre Nomenclatura de Sincrotrón. [2] Independientemente del nombre elegido, el término es una medida del flujo total de fotones en un espacio de fase de seis dimensiones dado por unidad de ancho de banda (BW). [3]
El brillo espectral viene dado por
donde es el número de fotones por segundo en el haz, y son los valores cuadráticos medios para el tamaño del haz en los ejes perpendiculares a la dirección del haz, y son los valores RMS para el ángulo sólido del haz en las dimensiones x e y , y es el ancho de banda relativo, o la dispersión en la frecuencia del haz alrededor de la frecuencia central. [4] El valor habitual para el ancho de banda es 0,1%. [2]
El brillo espectral tiene unidades de tiempo −1 ⋅distancia −2 ⋅ángulo −2 ⋅(% ancho de banda) −1 .
La radiación de sincrotrón, especialmente cuando se produce artificialmente, se caracteriza por:
La radiación de sincrotrón puede producirse en aceleradores como una molestia, que causa una pérdida de energía no deseada en contextos de física de partículas , o como una fuente de radiación producida deliberadamente para numerosas aplicaciones de laboratorio. Los electrones se aceleran a altas velocidades en varias etapas para alcanzar una energía final que normalmente está en el rango de los gigaelectronvoltios. Los electrones se ven obligados a viajar en un camino cerrado por fuertes campos magnéticos. Esto es similar a una antena de radio, pero con la diferencia de que la velocidad relativista cambia la frecuencia observada debido al efecto Doppler por un factor . La contracción de Lorentz relativista aumenta la frecuencia por otro factor de , multiplicando así la frecuencia en gigahercios de la cavidad resonante que acelera los electrones en el rango de los rayos X. Otro efecto dramático de la relatividad es que el patrón de radiación se distorsiona del patrón dipolar isotrópico esperado de la teoría no relativista en un cono de radiación que apunta extremadamente hacia adelante. Esto hace que las fuentes de radiación de sincrotrón sean las fuentes de rayos X más brillantes conocidas. La geometría de aceleración planar hace que la radiación esté polarizada linealmente cuando se observa en el plano orbital, y circularmente cuando se observa en un ángulo pequeño con respecto a ese plano. [ cita requerida ]
Las ventajas de utilizar la radiación de sincrotrón para la espectroscopia y la difracción han sido comprendidas por una comunidad científica cada vez mayor, a partir de los años 1960 y 1970. Al principio, los aceleradores se construyeron para la física de partículas y la radiación de sincrotrón se utilizó en "modo parásito" cuando la radiación magnética de flexión tenía que ser extraída perforando agujeros adicionales en los tubos del haz. El primer anillo de almacenamiento puesto en servicio como fuente de luz de sincrotrón fue Tantalus, en el Centro de Radiación de Sincrotrón , que entró en funcionamiento por primera vez en 1968. [5] A medida que la radiación de sincrotrón del acelerador se hizo más intensa y sus aplicaciones más prometedoras, se construyeron dispositivos que mejoraban la intensidad de la radiación de sincrotrón en los anillos existentes. Las fuentes de radiación de sincrotrón de tercera generación se concibieron y optimizaron desde el principio para producir rayos X brillantes. Se están considerando fuentes de cuarta generación que incluirán diferentes conceptos para producir rayos X ultrabrillantes, pulsados y estructurados en el tiempo para experimentos extremadamente exigentes y probablemente aún por concebir. [ cita requerida ]
Los primeros en utilizar electroimanes de flexión en aceleradores para generar esta radiación fueron los que se utilizaron, pero para generar una radiación más fuerte, a veces se emplean otros dispositivos especializados (dispositivos de inserción). Las fuentes de radiación de sincrotrón actuales (de tercera generación) suelen depender de estos dispositivos de inserción, en los que secciones rectas del anillo de almacenamiento incorporan estructuras magnéticas periódicas (que comprenden muchos imanes en un patrón de polos N y S alternados; véase el diagrama anterior) que fuerzan a los electrones a seguir una trayectoria sinusoidal o helicoidal. De este modo, en lugar de una única curva, muchas decenas o cientos de "movimientos" en posiciones calculadas con precisión suman o multiplican la intensidad total del haz. [ cita requerida ]
Estos dispositivos se denominan onduladores . La principal diferencia entre un ondulador y un wiggler es la intensidad de su campo magnético y la amplitud de la desviación de la trayectoria en línea recta de los electrones. [ cita requerida ]
En el anillo de almacenamiento hay aberturas que permiten que la radiación salga y siga una línea de luz hasta la cámara de vacío de los experimentadores. Una gran cantidad de líneas de luz de este tipo pueden surgir de fuentes de radiación de sincrotrón de tercera generación modernas. [ cita requerida ]
Los electrones pueden extraerse del propio acelerador y almacenarse en un anillo de almacenamiento magnético auxiliar de ultra alto vacío, donde pueden dar vueltas un gran número de veces. Los imanes del anillo también necesitan volver a comprimir repetidamente el haz contra fuerzas de Coulomb ( carga espacial ) que tienden a romper los haces de electrones. El cambio de dirección es una forma de aceleración y, por lo tanto, los electrones emiten radiación a energías de GeV. [ cita requerida ]
En una instalación de sincrotrón, los electrones son generalmente acelerados por un sincrotrón y luego inyectados en un anillo de almacenamiento , en el que circulan, produciendo radiación de sincrotrón, pero sin ganar más energía. La radiación se proyecta en una tangente al anillo de almacenamiento de electrones y es capturada por líneas de luz . Estas líneas de luz pueden originarse en imanes de flexión, que marcan las esquinas del anillo de almacenamiento; o dispositivos de inserción , que se encuentran en las secciones rectas del anillo de almacenamiento. El espectro y la energía de los rayos X difieren entre los dos tipos. La línea de luz incluye dispositivos ópticos de rayos X que controlan el ancho de banda , el flujo de fotones, las dimensiones del haz, el enfoque y la colimación de los rayos. Los dispositivos ópticos incluyen rendijas, atenuadores, monocromadores de cristal y espejos. Los espejos pueden doblarse en curvas o formas toroidales para enfocar el haz. Un alto flujo de fotones en un área pequeña es el requisito más común de una línea de luz. El diseño de la línea de luz variará según la aplicación. Al final de la línea de haz se encuentra la estación final experimental, donde se colocan las muestras en la línea de radiación y se posicionan los detectores para medir la difracción , la dispersión o la radiación secundaria resultante.
La luz de sincrotrón es una herramienta ideal para muchos tipos de investigación en ciencia de materiales , física y química , y es utilizada por investigadores de laboratorios académicos, industriales y gubernamentales. Varios métodos aprovechan la alta intensidad, longitud de onda ajustable, colimación y polarización de la radiación de sincrotrón en líneas de luz que están diseñadas para tipos específicos de experimentos. La alta intensidad y poder de penetración de los rayos X de sincrotrón permiten realizar experimentos dentro de celdas de muestra diseñadas para entornos específicos. Las muestras pueden calentarse, enfriarse o exponerse a entornos de gas, líquido o alta presión. Los experimentos que utilizan estos entornos se denominan in situ y permiten la caracterización de fenómenos de escala atómica a nanoescala que son inaccesibles para la mayoría de las otras herramientas de caracterización. Las mediciones in operando están diseñadas para imitar las condiciones de trabajo reales de un material lo más fielmente posible. [8]
Los experimentos de difracción de rayos X (DRX) y dispersión se realizan en sincrotrones para el análisis estructural de materiales cristalinos y amorfos . Estas mediciones se pueden realizar en polvos , monocristales o películas delgadas . La alta resolución e intensidad del haz de sincrotrón permite la medición de la dispersión de fases diluidas o el análisis de la tensión residual . Los materiales se pueden estudiar a alta presión utilizando celdas de yunque de diamante para simular entornos geológicos extremos o para crear formas exóticas de materia. [ cita requerida ]
La cristalografía de rayos X de proteínas y otras macromoléculas (PX o MX) se realiza de forma rutinaria. Los experimentos de cristalografía basados en sincrotrón fueron fundamentales para resolver la estructura del ribosoma ; [9] [10] este trabajo ganó el Premio Nobel de Química en 2009.
El tamaño y la forma de las nanopartículas se caracterizan mediante la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS). Las características de tamaño nanométrico en las superficies se miden con una técnica similar, la dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante (GISAXS). [11] En este y otros métodos, la sensibilidad de la superficie se logra colocando la superficie del cristal en un ángulo pequeño en relación con el haz incidente, lo que logra una reflexión externa total y minimiza la penetración de rayos X en el material. [ cita requerida ]
Los detalles a escala atómica y nanométrica de superficies , interfaces y películas delgadas se pueden caracterizar utilizando técnicas como la reflectividad de rayos X (XRR) y el análisis de varillas de truncamiento de cristales (CTR). [12] Las mediciones de ondas estacionarias de rayos X (XSW) también se pueden utilizar para medir la posición de los átomos en las superficies o cerca de ellas; estas mediciones requieren una óptica de alta resolución capaz de resolver fenómenos de difracción dinámica . [13]
Los materiales amorfos, incluidos los líquidos y los fundidos, así como los materiales cristalinos con desorden local, se pueden examinar mediante el análisis de la función de distribución de pares de rayos X , que requiere datos de dispersión de rayos X de alta energía. [14]
Al ajustar la energía del haz a través del borde de absorción de un elemento de interés particular, se modificará la dispersión de los átomos de ese elemento. Estos métodos de dispersión de rayos X anómalos resonantes pueden ayudar a resolver las contribuciones de dispersión de elementos específicos en la muestra. [ cita requerida ]
Otras técnicas de dispersión incluyen la difracción de rayos X por dispersión de energía , la dispersión inelástica resonante de rayos X y la dispersión magnética. [ cita requerida ]
La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) se utiliza para estudiar la estructura de coordinación de los átomos en materiales y moléculas. La energía del haz de sincrotrón se ajusta a través del borde de absorción de un elemento de interés y se miden las modulaciones en la absorción. Las transiciones de fotoelectrones causan modulaciones cerca del borde de absorción y el análisis de estas modulaciones (llamadas estructura de absorción de rayos X cerca del borde (XANES) o estructura fina de absorción de rayos X cerca del borde (NEXAFS)) revela información sobre el estado químico y la simetría local de ese elemento. A energías del haz incidente que son mucho más altas que el borde de absorción, la dispersión de fotoelectrones causa modulaciones de "anillo" llamadas estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS). La transformación de Fourier del régimen EXAFS produce las longitudes de enlace y el número de los átomos que rodean al absorbente; por lo tanto, es útil para estudiar líquidos y materiales amorfos [15], así como especies dispersas como impurezas. Una técnica relacionada, el dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD), utiliza rayos X polarizados circularmente para medir las propiedades magnéticas de un elemento. [ cita requerida ]
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) se puede realizar en líneas de luz equipadas con un analizador de fotoelectrones . La XPS tradicional se limita típicamente a sondear los primeros nanómetros de un material al vacío. Sin embargo, la alta intensidad de la luz de sincrotrón permite mediciones XPS de superficies a presiones de gas cercanas a la ambiental. La XPS a presión ambiental (AP-XPS) se puede utilizar para medir fenómenos químicos en condiciones catalíticas o líquidas simuladas. [16] El uso de fotones de alta energía produce fotoelectrones de alta energía cinética que tienen un camino libre medio inelástico mucho más largo que los generados en un instrumento XPS de laboratorio. Por lo tanto, la profundidad de sondeo de la XPS de sincrotrón se puede alargar a varios nanómetros, lo que permite el estudio de interfaces enterradas. Este método se conoce como espectroscopia de fotoemisión de rayos X de alta energía (HAXPES). [17] Además, la naturaleza ajustable de las energías de los fotones de rayos X de sincrotrón presenta un amplio rango de sensibilidad de profundidad en el orden de 2-50 nm. [18] Esto permite sondear muestras a mayores profundidades y realizar experimentos no destructivos de creación de perfiles de profundidad.
La composición de los materiales se puede analizar cuantitativamente mediante fluorescencia de rayos X (XRF). La detección por XRF también se utiliza en otras técnicas, como XAS y XSW, en las que es necesario medir el cambio en la absorción de un elemento en particular. [ cita requerida ]
Otras técnicas espectroscópicas incluyen la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), la espectroscopia de emisión de rayos X suaves y la espectroscopia vibracional de resonancia nuclear , que está relacionada con la espectroscopia Mössbauer . [ cita requerida ]
Los rayos X de sincrotrón se pueden utilizar para la obtención de imágenes tradicionales con rayos X , la obtención de imágenes con rayos X de contraste de fase y la tomografía . La longitud de onda de los rayos X en la escala de Ångström permite obtener imágenes muy por debajo del límite de difracción de la luz visible, pero prácticamente la resolución más pequeña alcanzada hasta ahora es de unos 30 nm. [19] Estas fuentes de nanosonda se utilizan para la microscopía de transmisión de rayos X de barrido (STXM). La obtención de imágenes se puede combinar con espectroscopia como la fluorescencia de rayos X o la espectroscopia de absorción de rayos X para mapear la composición química o el estado de oxidación de una muestra con una resolución submicrónica. [20]
Otras técnicas de obtención de imágenes incluyen la obtención de imágenes por difracción coherente . [ cita requerida ]
Se puede emplear una óptica similar para la fotolitografía para estructuras MEMS que pueden utilizar un haz de sincrotrón como parte del proceso LIGA . [ cita requerida ]
Debido a la utilidad de la radiación de rayos X coherentes colimados sintonizables , se han hecho esfuerzos para hacer fuentes más pequeñas y económicas de la luz producida por sincrotrones. El objetivo es hacer que dichas fuentes estén disponibles dentro de un laboratorio de investigación por razones de costo y conveniencia; en la actualidad, los investigadores tienen que viajar a una instalación para realizar experimentos. Un método para hacer una fuente de luz compacta es utilizar el cambio de energía de los fotones láser de dispersión Compton casi visibles de los electrones almacenados a energías relativamente bajas de decenas de megaelectronvoltios (ver por ejemplo la Fuente de Luz Compacta (CLS) [21] ). Sin embargo, se puede obtener una sección transversal de colisión relativamente baja de esta manera, y la tasa de repetición de los láseres se limita a unos pocos hercios en lugar de las tasas de repetición de megahercios que surgen naturalmente en la emisión normal de anillos de almacenamiento. Otro método es utilizar la aceleración de plasma para reducir la distancia requerida para acelerar los electrones desde el reposo a las energías requeridas para la emisión de rayos UV o X dentro de dispositivos magnéticos. [ cita requerida ]
