En física de aceleradores , una línea de luz se refiere a la trayectoria del haz de partículas, incluida la construcción general del segmento de la ruta (tubos guía, dispositivos de diagnóstico) a lo largo de una ruta específica de una instalación de acelerador . Esta parte es
Las líneas de luz suelen terminar en estaciones experimentales que utilizan haces de partículas o luz de sincrotrón obtenida de un sincrotrón , o neutrones de una fuente de espalación o un reactor de investigación . Las líneas de luz se utilizan en experimentos de física de partículas , ciencia de los materiales , ciencias de la vida , química y biología molecular , pero también se pueden utilizar para pruebas de irradiación o para producir isótopos.
En los aceleradores de partículas, la línea de luz suele estar alojada en un túnel o bajo tierra, dentro de una carcasa de hormigón con fines de protección. La línea de luz suele ser un tubo cilíndrico de metal, normalmente llamado tubo de haz , o un tubo de deriva , evacuado a un alto vacío para que haya pocas moléculas de gas en el camino que el haz de partículas aceleradas pueda alcanzar, ya que de lo contrario podrían dispersarlas antes de que lleguen a su destino.
Existen dispositivos y equipos especializados en la línea de luz que se utilizan para producir, mantener, monitorear y acelerar el haz de partículas. Estos dispositivos pueden estar cerca de la línea de luz o directamente conectados a ella. Estos dispositivos incluyen transductores sofisticados , diagnósticos (monitores de posición y escáneres de cable), lentes , colimadores , termopares , bombas de iones , medidores de iones , cámaras de iones (para fines de diagnóstico; generalmente llamadas "monitores de haz"), válvulas de vacío ("válvulas de aislamiento") y válvulas de compuerta , por mencionar algunos.
Es imprescindible que todas las secciones de las líneas de luz, imanes, etc., estén alineadas (a menudo mediante un equipo de inspección y alineación que utiliza un rastreador láser ); las líneas de luz deben estar dentro de una tolerancia micrométrica . Una buena alineación ayuda a evitar la pérdida del haz y que este choque con las paredes de la tubería, lo que crea emisiones secundarias o radiación .
En el caso de los sincrotrones , el término línea de luz también puede referirse a la instrumentación que transporta haces de radiación de sincrotrón a una estación experimental final, que utiliza la radiación producida por los imanes de flexión y los dispositivos de inserción en el anillo de almacenamiento de una instalación de radiación de sincrotrón . Una aplicación típica de este tipo de línea de luz es la cristalografía , aunque existen muchas otras técnicas que utilizan luz de sincrotrón .
En una gran instalación de sincrotrón habrá muchas líneas de luz, cada una optimizada para un campo de investigación en particular. Las diferencias dependerán del tipo de dispositivo de inserción (que, a su vez, determina la intensidad y la distribución espectral de la radiación), el equipo de acondicionamiento del haz y la estación experimental final. Una línea de luz típica en una instalación de sincrotrón moderna tendrá una longitud de 25 a 100 m desde el anillo de almacenamiento hasta la estación final, y puede costar hasta millones de dólares estadounidenses. Por este motivo, una instalación de sincrotrón a menudo se construye en etapas, con las primeras líneas de luz abiertas el primer día de funcionamiento y otras líneas de luz que se van añadiendo más adelante a medida que lo permita la financiación.
Los elementos de la línea de luz se encuentran en recintos de protección contra la radiación, llamados casetas , que son del tamaño de una habitación pequeña (cabina). Una línea de luz típica consta de dos casetas, una caseta óptica para los elementos de acondicionamiento del haz y una caseta experimental, que alberga el experimento. Entre las casetas, el haz viaja en un tubo de transporte. La entrada a las casetas está prohibida cuando el obturador del haz está abierto y la radiación puede entrar en la caseta. Esto se aplica mediante el uso de sistemas de seguridad elaborados con funciones de enclavamiento redundantes , que se aseguran de que no haya nadie dentro de la caseta cuando se enciende la radiación. El sistema de seguridad también apagará el haz de radiación si la puerta de la caseta se abre accidentalmente cuando el haz está encendido. En este caso, el haz se descarga , lo que significa que el haz almacenado se desvía hacia un objetivo diseñado para absorber y contener su energía.
Los elementos que utilizan los experimentadores en las líneas de haz para acondicionar el haz de radiación entre el anillo de almacenamiento y la estación final incluyen los siguientes:
1- Ventanas de berilio: Las ventanas de berilio se pueden suministrar refrigeradas o no refrigeradas, con varios tamaños (y números) de aberturas de ventana. Las ventanas se dimensionan para adaptarse a requisitos específicos, sin embargo, el tamaño máximo de una ventana está determinado por el espesor de la lámina y la diferencia de presión que se debe soportar. Las ventanas se pueden suministrar equipadas con una gama de tamaños de brida de entrada/salida del haz para adaptarse a requisitos específicos. 2- Ventanas de diamante CVD: El diamante de deposición química en fase de vapor (CVD) ofrece una dureza extrema, alta conductividad térmica, inercia química y alta transparencia en un rango espectral muy amplio. Más fuerte y más rígido que el berilio, con menor expansión térmica y menor toxicidad, es ideal para ventanas de aislamiento UHV en líneas de rayos X. Las ventanas se pueden suministrar integradas en bridas UHV y con refrigeración por agua eficiente. 3- Ventanas de salida: Las ventanas de salida de vacío vienen en una variedad de materiales, incluidos el berilio y el diamante CVD detallados anteriormente.
La combinación de dispositivos de acondicionamiento del haz controla la carga térmica (calentamiento causado por el haz) en la estación final, el espectro de radiación incidente en la estación final y el enfoque o colimación del haz. Los dispositivos a lo largo de la línea de haz que absorben una potencia significativa del haz pueden necesitar ser enfriados activamente con agua o nitrógeno líquido . La longitud total de una línea de haz normalmente se mantiene en condiciones de ultra alto vacío .
Aunque el diseño de una línea de luz de radiación sincrotrón puede verse como una aplicación de la óptica de rayos X, existen herramientas dedicadas a modelar la propagación de rayos X a lo largo de la línea de luz y su interacción con varios componentes. Existen códigos de trazado de rayos como Shadow y McXTrace que tratan el haz de rayos X en el límite de la óptica geométrica, y luego hay software de propagación de ondas que tiene en cuenta la difracción y las propiedades intrínsecas de onda de la radiación. Para comprender la coherencia total o parcial de la radiación sincrotrón, es necesario tener en cuenta las propiedades de onda. Los códigos SRW, Spectra y xrt incluyen esta posibilidad; este último código admite el régimen "híbrido", lo que permite cambiar del enfoque geométrico al de onda en un segmento óptico determinado.
Superficialmente, las líneas de luz de neutrones se diferencian de las líneas de luz de radiación sincrotrón principalmente por el hecho de que utilizan neutrones de un reactor de investigación o una fuente de espalación en lugar de fotones. Dado que los neutrones no llevan carga y son difíciles de redirigir, los componentes son bastante diferentes (ver, por ejemplo, los choppers o los superespejos de neutrones). Los experimentos suelen medir la dispersión de neutrones o la transferencia de energía a la muestra en estudio.