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 es producida por anillos de almacenamiento y otros aceleradores de partículas especializados , típicamente acelerando electrones . Una vez generado el haz de electrones de alta energía, se dirige a componentes auxiliares como imanes de flexión y dispositivos de inserción ( onduladores o meneadores ) en anillos de almacenamiento y láseres de electrones libres . Éstos 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 fracción de los experimentos que utilizan luz de sincrotrón implican sondear la estructura de la materia desde el nivel subnanómetro de la estructura electrónica hasta los niveles micrométricos y milimétricos, importantes en imágenes médicas . Un ejemplo de 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", "brillo" y "brillo espectral", siendo este último término recomendado como la mejor opción por el Grupo de Trabajo sobre Nomenclatura del 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 está 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 dispersión en la frecuencia del haz alrededor de la frecuencia central. [4] El valor habitual para el ancho de banda es del 0,1%. [2]
El brillo espectral tiene unidades de tiempo −1 ⋅distancia −2 ⋅ángulo −2 ⋅(% ancho de banda) −1 .
Especialmente cuando se produce artificialmente, la radiación sincrotrón se destaca por:
La radiación sincrotrón puede ocurrir en los aceleradores ya sea como una molestia, causando 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 lograr una energía final que normalmente se encuentra en el rango de los gigaelectronvoltios. Los electrones se ven obligados a viajar en un camino cerrado debido a 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 en un factor . La contracción relativista de Lorentz aumenta la frecuencia en otro factor de , multiplicando así la frecuencia de gigahercios de la cavidad resonante que acelera los electrones hacia el rango de los rayos X. Otro efecto dramático de la relatividad es que el patrón de radiación se distorsiona desde el patrón dipolar isotrópico esperado de la teoría no relativista hacia un cono de radiación extremadamente orientado hacia adelante. Esto convierte a las fuentes de radiación sincrotrón en las fuentes de rayos X más brillantes que se conocen. La geometría de aceleración plana hace que la radiación esté polarizada linealmente cuando se observa en el plano orbital y polarizada circularmente cuando se observa en un ángulo pequeño con respecto a ese plano. [ cita necesaria ]
Las ventajas del uso de la radiación sincrotrón para espectroscopia y difracción han sido descubiertas por una comunidad científica en constante crecimiento, 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 de los imanes curvados tenía que extraerse perforando agujeros adicionales en los tubos del haz. El primer anillo de almacenamiento encargado como fuente de luz sincrotrón fue Tantalus, en el Centro de Radiación Sincrotrón , que entró en funcionamiento por primera vez en 1968. [5] A medida que la radiación sincrotrón del acelerador se hizo más intensa y sus aplicaciones más prometedoras, se construyeron dispositivos que mejoraron la intensidad de la radiación sincrotrón. en anillos existentes. Las fuentes de radiación sincrotrón de tercera generación fueron concebidas y optimizadas 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 necesaria ]
Para generar esta radiación se utilizaron por primera vez electroimanes de flexión en aceleradores, 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, donde las secciones rectas del anillo de almacenamiento incorporan estructuras magnéticas periódicas (que comprenden muchos imanes en un patrón de polos N y S alternos; consulte el diagrama anterior) que fuerzan a los electrones. en una trayectoria sinusoidal o helicoidal. Así, en lugar de una sola curvatura, muchas decenas o cientos de "meneos" en posiciones calculadas con precisión suman o multiplican la intensidad total del haz. [ cita necesaria ]
Estos dispositivos se llaman meneadores u onduladores . La principal diferencia entre un ondulador y un meneador es la intensidad de su campo magnético y la amplitud de la desviación de la trayectoria recta de los electrones. [ cita necesaria ]
Hay aberturas en el anillo de almacenamiento para permitir que la radiación salga y siga una línea de haz hacia la cámara de vacío de los experimentadores. Un gran número de estas líneas de luz pueden surgir de fuentes modernas de radiación sincrotrón de tercera generación. [ cita necesaria ]
Los electrones pueden extraerse del acelerador propiamente dicho y almacenarse en un anillo de almacenamiento magnético auxiliar de vacío ultra alto, donde pueden dar vueltas una gran cantidad de veces. Los imanes del anillo también necesitan recomprimir repetidamente el haz contra las fuerzas de Coulomb ( carga espacial ) que tienden a alterar los haces de electrones. El cambio de dirección es una forma de aceleración y, por tanto, los electrones emiten radiación con energías GeV. [ cita necesaria ]
En una instalación de sincrotrón, los electrones suelen ser 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 tangente al anillo de almacenamiento de electrones y es capturada por líneas de luz . Estas líneas de luz pueden originarse al doblar los imanes, que marcan las esquinas del anillo de almacenamiento; o dispositivos de inserción , que se ubican 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 se pueden doblar 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 luz se encuentra la estación final experimental, donde se colocan muestras en la línea de radiación y se colocan detectores para medir la difracción , dispersión o 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, la longitud de onda sintonizable, la colimación y la polarización de la radiación sincrotrón en líneas de luz que están diseñadas para tipos específicos de experimentos. La alta intensidad y el poder de penetración de los rayos X sincrotrón permiten realizar experimentos dentro de celdas de muestra diseñadas para entornos específicos. Las muestras pueden calentarse, enfriarse o exponerse a entornos gaseosos, líquidos o de alta presión. Los experimentos que utilizan estos entornos se denominan in situ y permiten la caracterización de fenómenos de escala atómica a nanométrica que son inaccesibles a la mayoría de las otras herramientas de caracterización. Las mediciones en operando están diseñadas para imitar lo más fielmente posible las condiciones reales de trabajo de un material. [8]
Se realizan experimentos de dispersión y difracción de rayos X (DRX) 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 medir la dispersión de fases diluidas o analizar la tensión residual . Los materiales se pueden estudiar a alta presión utilizando celdas de yunque de diamante para simular entornos geológicos extremos o crear formas exóticas de materia. [ cita necesaria ]
De forma rutinaria se realiza cristalografía de rayos X de proteínas y otras macromoléculas (PX o MX). Los experimentos de cristalografía basados en sincrotrón fueron fundamentales para resolver la estructura del ribosoma ; [9] [10] este trabajo le valió el Premio Nobel de Química en 2009.
El tamaño y la forma de las nanopartículas se caracterizan mediante 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 con respecto al haz incidente, lo que logra una reflexión externa total y minimiza la penetración de los rayos X en el material. [ cita necesaria ]
Los detalles de escala atómica a 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 cristal (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 ópticas de alta resolución capaces de resolver fenómenos de difracción dinámica . [13]
Los materiales amorfos, incluidos líquidos y fundidos, así como 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 sintonizar 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 de la muestra. [ cita necesaria ]
Otras técnicas de dispersión incluyen la difracción de rayos X por dispersión de energía , la dispersión de rayos X inelástica resonante y la dispersión magnética. [ cita necesaria ]
La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) se utiliza para estudiar la estructura de coordinación de átomos en materiales y moléculas. La energía del haz de sincrotrón se sintoniza 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 (llamada estructura de borde cercano de absorción de rayos X (XANES) o estructura fina de absorción de rayos X de borde cercano (NEXAFS)) revela información sobre el estado químico y local. simetría de ese elemento. En energías del haz incidente que son mucho más altas que el borde de absorción, la dispersión de fotoelectrones provoca 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 del átomo absorbente que rodea; por lo tanto, es útil para estudiar líquidos y materiales amorfos [15] , así como especies escasas como las 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 necesaria ]
La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se puede realizar en líneas de luz equipadas con un analizador de fotoelectrones . El XPS tradicional normalmente se limita a sondear los pocos nanómetros superiores 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 presión ambiental XPS (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 del sincrotrón XPS se puede alargar hasta 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 sintonizable de las energías de los fotones de rayos X de sincrotrón presenta un amplio rango de sensibilidad a la profundidad del orden de 2 a 50 nm. [18] Esto permite sondear muestras a mayores profundidades y realizar experimentos no destructivos de perfilado de profundidad.
La composición del material se puede analizar cuantitativamente mediante fluorescencia de rayos X (XRF). La detección 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 necesaria ]
Otras técnicas de espectroscopia incluyen la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), la espectroscopia de emisión de rayos X suaves y la espectroscopia vibratoria de resonancia nuclear , que está relacionada con la espectroscopia de Mössbauer . [ cita necesaria ]
Los rayos X sincrotrón se pueden utilizar para obtener imágenes de rayos X tradicionales , imágenes de rayos X de contraste de fase y 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 nanosondas se utilizan para la microscopía de transmisión de rayos X de barrido (STXM). Las imágenes se pueden 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 necesaria ]
Se pueden emplear ópticas similares para fotolitografía para estructuras MEMS que pueden utilizar un haz de sincrotrón como parte del proceso LIGA . [ cita necesaria ]
Debido a la utilidad de la radiación de rayos X coherente colimada y sintonizable , se han realizado esfuerzos para fabricar fuentes más pequeñas y económicas de la luz producida por los sincrotrones. El objetivo es que dichas fuentes estén disponibles en 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 crear una fuente de luz compacta es utilizar el cambio de energía de Compton, que dispersa fotones láser casi visibles de electrones almacenados a energías relativamente bajas de decenas de megaelectronvoltios (ver, por ejemplo, la Fuente de luz compacta (CLS) [ 21] ). Sin embargo, de esta manera se puede obtener una sección transversal de colisión relativamente baja, 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 los anillos de almacenamiento. Otro método consiste en utilizar la aceleración del plasma para reducir la distancia necesaria para acelerar los electrones desde el reposo hasta las energías necesarias para la emisión de rayos UV o X dentro de dispositivos magnéticos. [ cita necesaria ]
