Printer Friendly

Laser de rayos X generados por atomos hadronicos.

1. Introduccion

Desde su descubrimiento en 1985 por el fisico aleman Wilhelm Conrad Rontgen, los rayos X han tenido un gran impacto en el desarrollo de aplicaciones tecnologicas, medicas y cientificas. En analogia, la invencion del laser trajo consigo una revolucion en la industria tecnologica y la ciencia. Si unimos estos dos descubrimientos encontramos una de las aplicaciones que en la actualidad despierta el interes de muchos cientificos: un laser de rayos X o, como se ha denominado, XASER. Hace algunos anos, hablar de laser de rayos X podria parecer algo descabellado, pero en la actualidad es un tema real de gran interes para la industria tecnologica, la ciencia, la medicina y la industria armamentista, entre otras.

El espectro de los atomos hadronicos es estudiado a partir de la deteccion de los rayos X emitidos durante el proceso de formacion; por esta razon se pueden considerar como una fuente importante de rayos X en la aplicacion del diseno de un laser de este tipo.

2. Laser de rayos X

Los laseres de rayos X son dispositivos que ge neran y amplifican la radiacion con longitudes de onda en la region de los rayos X y ultravioleta.

2.1 Los rayos X

Son una radiacion del espectro electromagnetico, cuya longitud de onda va desde los 10* 10-9 m hasta los 10*10-12m, aproximadamente, y frecuencias mayores a 1*1017 Hz, como puede verse en la parte inferior de la Figura 1. La importancia de esta radiacion radica en su baja longitud de onda, lo que le permite penetrar los materiales a nivel molecular. Sus multiples aplicaciones se encuentran en la medicina, el desarrollo tecnologico de la electronica y en las ciencias en general.

Los rayos X son obtenidos de diferentes formas; por lo general es una radiacion que proviene de la desaceleracion de electrones de alta energia del orden de los KeV. Se clasifican en rayos X duros y blandos: los duros son radiaciones cuyas longitudes de onda son menores a 1 nm, mientras que los blandos tienen longitudes de onda mayores.

[FIGURA 1 OMITIR]

2.2. Funcionamiento basico de un laser

El laser (light amplification by stimulated emission of radiation) es un dispositivo capaz de emitir un haz de luz intensa coherente, con la particularidad de que dicha luz es totalmente monocromatica. La principal caracteristica es que la luz del laser mantiene su region de iluminacion casi constante, sin importar cuanto se aleje de la fuente. La coherencia del haz se debe a que todas las ondas que lo forman estan en la misma fase [2].

El funcionamiento basico de laser esta fundamentado en la emision de radiacion estimulada; esto es, excitar un atomo y luego estimularlo para que emita radiacion regresando a su estado base de energia. La radiacion emitida (fotones) es identica a la que produce la estimulacion, entonces se obtiene una luz totalmente coherente; ademas, con un gran numero de electrones en estados excitados, se obtiene una amplificacion de la radiacion.

Los laseres se pueden disenar con elementos solidos y gases denominados medio amplificador (helio-neon, rubi, etc.), el cual se encuentra dentro de una cavidad resonante generalmente disenada con espejos o cualquier medio reflector de luz, con la finalidad de que la luz se refleje de un lado a otro. El medio amplificador es estimulado por una fuente externa llamada sistema de bombeo.

El sistema de bombeo excita los electrones del medio amplificador; este proceso se denomina inversion de poblacion. Los electrones excitados, para regresar a su posicion de equilibrio, emiten energia por medio de fotones y estos, a su vez, incitan a otros atomos excitados a emitir radiacion con las mismas caracteristicas, generando una reaccion en cadena que produce una luz coherente y monocromatica.

El haz generado es amplificado a medida que mas atomos excitados son estimulados a emitir su exceso de energia con cada paso de la radiacion por la camara resonante. Solo la radiacion que incide perpendicularmente al espejo reflector produce la amplificacion. Esta camara esta formada por dos espejos (uno frente al otro). Uno de ellos es semireflector, capaz de reflejar y dejar pasar luz simultaneamente, mientras que el otro es 100 % reflector. El espejo semireflector deja pasar parte del haz para obtener el rayo laser. La energia restante reflejada ayuda a que el efecto de emision estimulada continue [2].

[FIGURA 2 OMITIR]

2.3 Laser de rayos X

Actualmente se ha logrado obtener luz coherente y potente de rayos X. A diferencia de los laseres convencionales, para un laser de rayos X no se puede utilizar un resonador optico, ya que no existen espejos eficientes para radiacion de longitud de onda corta. Por esta razon se han implementado nuevas tecnicas capaces de amplificar una radiacion de este tipo.

El proceso se basa en el paso de un haz de electrones relativistas, a traves de un ondulador lo suficientemente largo que les permite emitir radiacion coherente.

Un ondulador es un dispositivo formado por imanes cuyos polos son alternados, de tal forma que en su interior se genera un campo magnetico oscilante. Su principal efecto se basa en la interaccion de carga y campo magnetico; cuando la carga ingresa al campo magnetico, este la obliga a cambiar su trayectoria haciendo que emita radiacion, la cual recibe el nombre de radiacion electromagnetica sincrotron. En la Figura 3 se muestra un esquema basico de un ondulador.

[FIGURA 3 OMITIR]

El laser de electrones libres de alta ganancia FEL es un dispositivo capaz de generar luz coherente de rayos X. Un haz de electrones relativistas de alta energia incide dentro de un ondulador. El campo magnetico desvia a los electrones de su trayectoria obligandolos a moverse de manera sinusoidal, lo que genera una emision espontanea de energia. Algunos electrones ganan energia, mientras otros la pierden, haciendo que se agrupen de forma periodica. Este agrupamiento se denomina microbunching.

[FIGURA 4 OMITIR]

La densidad de electrones empieza a modularse, de modo que los electrones agrupados emiten radiacion coherente; por cada cambio en la velocidad hay una emision por parte de cada electron tal, que la onda electromagnetica gana energia y se produce amplificacion de la misma. En la Figura 5 se muestra el efecto. La amplificacion de la radiacion depende del numero de particulas que esten emitiendo, esta puede ser alrededor de [10.sup.8][4].

[FIGURA 5 OMITIR]

A este proceso se le conoce como Emision Espontanea Autoamplificada (Self Amplified Spontaneous Emission--SASE). La radiacion alcanza su valor optimo cuando su longitud de onda alcance la longitud de onda de resonancia:

[lambda] = [[lambda].sub.u]/2[[gamma].sup.2] (1 + [K.sup.2]/2); (1)

Donde [[lambda].sub.u] es el periodo del ondulador, K es un parametro del ondulador relacionado con el campo magnetico y [[lambda].sub.u] = [E.sub.e]/[mc.sup.2] con [E.sub.e] la energia del electron y m su masa en reposo [4].

Actualmente existen dos grandes instalaciones en las cuales se esta trabajando con FELs: el LCLS (Linac Coherent Light Source) en SLAC National Accelerator Laboratory [6], ubicado en las colinas al oeste de la Universidad de Stanford en Estados Unidos, donde se obtiene un pulso de rayos X duros con longitudes de onda alrededor de 0,15 nm y energias del rango de 28 GeV , con un periodo de femtosegundos (fs). Alli se estan realizando estudios en fisica del estado solido, en biologia y en quimica (observando reacciones en tiempo real), en fisica de particulas (captando imagenes de atomos en movimiento) [6].

Otro importante FEL esta ubicado en las instalaciones de DESY Deutsches Elektronen Synchrotron (Alemania), llamado FLASH (Free electron Laser in Hamburg) [7], y el cual genera pulso de rayos X blandos con un periodo entre los [50, 200] fs; ademas, FLASH proporciona una gama de energias entre 1 GeV y 7,5 GeV que cubren el rango de longitud de onda entre 0,05 nm y 4 nm.

3. Atomos hadronicos

Los atomos hadronicos son estados ligados entre hadrones y se forman de diferentes tipos, dependiendo de los hadrones implicados en el proceso [8].

Este trabajo esta basado en el estudio del atomo hidrogeno pionico H[pi], un estado ligado entre un proton y un pion negativo p[[pi].sup.-]. El estudio del atomo H[pi] se basa en la medicion de la radiacion que emite el sistema durante su formacion; tal radiacion esta en el rango de los rayos X.

El [[pi].sup.-] se ve atraido al p por interacciones electromagneticas y cae rapidamente a traves de los diferentes orbitales hacia el nucleo del atomo. Cuando las interacciones fuertes empiezan a influenciar el sistema y el [[pi].sup.-] llega a su estado base de energia en el atomo, este es frenado bruscamente de tal forma que se ve obligado a emitir radiacion de alta energia; esta energia es emitida en rayos X. Para describir el espectro de emision en la formacion del Hn es necesario implementar un sistema de transiciones para los niveles de energia de este estado, ligado analogamente al atomo de hidrogeno. La energia de las transiciones se pueden aproximar por [9]:

[E.sub.n] = - [[my].sub.R]/[n.sup.2][m.sub.e] (2)

La longitud de onda de la radiacion emitida puede ser calculada por:

E = hv (3)

Donde R es la constante de Rydberg. La diferencia entre este y el atomo de hidrogeno esta en el corrimiento y el ancho de los niveles de energia, debido a la perturbacion de interacciones fuertes. El nivel 1s esta corrido [[epsilon].sub.1s] con respecto a su posicion por potencial de Coulomb y, ademas de eso, tambien sera ampliado debido a la interaccion de absorcion que genera la perturbacion de interacciones fuertes.

Estos cambios no son muy apreciables en los niveles de mayor energia, ya que alli las interacciones fuertes son minimas. Sin embargo, el corrimiento y el ancho del nivel 2s es posible medirlo de forma indirecta por medio de la relacion [10]:

[[GAMMA].sub.2p [flecha diestra] 1s]/[[GAMMA].sub.2p [flecha diestra] 1s] - [[GAMMA].sub.2p] = [L.sub.2]/[[suma].sub.j][B.sub.j] (4)

Donde [L.sub.2] son el numero de transiciones de Liman desde el estado2s, [B.sub.j] las transiciones de Balmer, [GAMMA] es el ancho entre los estados 2s y 1s y [[GAMMA].sub.2p] el cambio en el ancho del estado 2s. La obtencion del corrimiento y el ancho del estado 1s es un poco mas compleja y es necesario otro proceso que se llevara a cabo en trabajos posteriores.

En la Figura 6 se muestra el espectro calculado para las series de Lyman con la base teorica del atomo de hidrogeno, y uno calculado en el PSI por el grupo Pionic Hydrogen Collaboration [8]. Se puede apreciar que las transiciones se realizan con emision de radiacion de rayos X con longitudes de onda alrededor de 4,29 [??] para transicione s del tercer nivel energetico al estado base, y 3,84 [??] para transiciones del primer estado excitado al estado base.

4. Laser de atomos hadronicos

Aunque los laseres de rayos X son una realidad, su complejidad es tal que solo se encuentran en grandes y avanzados laboratorios. La idea es disenar un laser de rayos X algo menos complejo y mas accesible.

[FIGURA 6 OMITIR]

La emision espontanea de rayos X del atomo Hn podria ser una fuente para este dispositivo.

Lo primero que hay que definir es la forma de obtener los hadrones implicados: el proton y el pion. El proton es relativamente sencillo de conseguir, solo basta con ionizar cierta cantidad de hidrogeno. La obtencion de piones es un poco mas compleja; una forma seria tener neutrones aislados, los cuales se sabe que decaen con una vida media de 885,7 s[11]. Los canales de decaimiento implicados son n [flecha diestra] [[mu].sup.+] + [[pi].sup.-] + [[pi].sup.0] y n [flecha diestra] [e.sup.+] + [[pi].sup.-] + [K.sup.0]; aunque estos procesos deben ser estudiados con profundidad para calcular la probabilidad de que sucedan, pues tienen un alto grado de confiabilidad de que ocurran. Esta seria una primera opcion que proporcione los piones necesarios para la formacion del Hn

Para obtener los neutrones se puede utilizar un generador, dispositivos formados por aceleradores lineales que fusionan isotopos de hidrogeno. Los neutrones se generan al fusionar deuterio y tritio por los canales:

D + T [flecha diestra] n + [sup.4][H.sub.e] ; D + D [flecha diestra] n + [sup.3][H.sub.e] (5)

El primer proceso involucra dos nucleos de tritio y deuterio que chocan generando un neutron y un nucleo de helio 4; en el segundo proceso la colicion de dos nucleos de deuterio genera un neutron y un nucleo de helio 3. Aqui se obtienen neutrones con una energia de [E.sub.Dt] = 14.1 MeV y [E.sub.DD] = 2,5 MeV [12].

[FIGURA 7 OMITIR]

Otra posible fuente estaria basada en deuterio ionizado, un isotopo de hidrogeno con un mecanismo capaz de separar los nucleones de tal forma que se logre aislar el neutron para que finalmente decaiga generando los piones necesarios. En este caso es necesario proporcionar altas energias, haciendo el proceso poco rentable.

Despues de obtener los hadrones necesarios, se procede a realizar la interaccion con el fin de hallar la radiacion espontanea emitida por los atomos Hn. En la Figura 8 se muestra un posible diseno del dispositivo.

Para hacer coherente la radiacion emitida se debe asegurar que los piones presentes en el proceso esten a la misma energia en el momento de la interaccion, pues asi todos realizaran la misma transicion energetica.

Un inconveniente aun sin resolver es la forma de amplificar la radiacion, la forma de crear el haz y que hacer con la radiacion remanente. El diseno del dispositivo constaria de un generador de neutrones, una camara de protones y un contenedor para neutrones. Los neutrones serian confinados en un contenedor el tiempo suficiente para que decaigan produciendo las otras particulas.

Por medio de detectores identificar los piones para luego llevarlos a la camara que contiene los protones, de modo que interactuen entre ellos y se formen los atomos Hn. Finalmente, los atomos emiten la radiacion X y se conducen a otro dispositivo antes de que el sistema decaiga.

[FIGURA 8 OMITIR]

Los atomos emiten radiacion de rayos X; estos se catalogan en blandos, por la energia y su longitud de onda. Despues de la emision decaen rapidamente. Los canales de decaimiento son p + [[pi].sup.-] [flecha diestra] p + [[pi].sup.-] y p + [[pi].sup.-] [right arrow] n + [[pi].sup.0]. El primer canal contribuiria a una nueva interaccion pion-nucleon, mientras que en la segunda se puede utilizar el neutron para generar nuevos piones negativos que mantengan la formacion de atomos, produciendo una reaccion en cadena que aumente la intensidad de la radiacion de rayos X.

5. Discusiones

Los rayos X, desde su descubrimiento hasta la actualidad, han sido de una gran utilidad en muchas ramas de la ciencia; sus bajas longitudes de onda nos permiten visualizar objetos pequenos que a simple vista no es posible hacer. Actualmente nos proporcionan el placer de observar sucesos naturales como reacciones quimicas, descubrir los misterios del mundo cuantico (al poder observar un atomo en tiempo real); cosas con las apenas podiamos imaginar hace un tiempo, hoy son una realidad.

Los FELs actuales solo han sido posibles en complejas instalaciones cientificas construidas por colaboraciones internacionales, y solo unos pocos pueden gozar de ellos. La intencion de este trabajo es difundir una idea que podria abrir la puerta a un posible camino, con el fin de hacer de esta experiencia una realidad para todos de forma practica y economica.

El paso a seguir sera realizar los calculos necesarios con respecto a los decaimientos involucrados en el proceso, y comprobar la rentabilidad del dispositivo, para finalmente realizar un primer diseno.

Este trabajo nace del estudio del atomo Ha. El objetivo es trabajar de la mano esta aplicacion, pues segun como se avance en este estudio, se ira adelantando en el diseno y en los calculos aun faltantes, lo cual implica un trabajo de ingenieria de precision. Con este articulo se desea dar a conocer la idea y su viabilidad, con la finalidad de que despierte el interes en la comunidad cientifica.

Referencias

[1] This file is licensed under the Creative Commons Attribution--Share Alike 3.0 Unported license. Retrieved from http://es.wikipedia.org/ wiki/Espectroelectromagnetico#mediaviewer/ File:Electromagneticspectrum-es.svg.

[2] Pedrotti, F. L. (1993). Introduction to Optics. 2 ed. Prentice-Hall International. Inc.

[3] Zhirong, H. (2006). Review of X-ray Free-Electron Laser theory. Satnford Linear accelerator ANL-AAI-PUB-2007-002.

[4] Feldhaus, J., Arthur, J. & Hastings, J. B. (2005). X-ray free-electron lasers. Retrieved from stacks.iop.org/JPhysB/38/S799.

[5] This file is licensed under the Creative Commons Attribution- Share Alike 3.0 Unported license. Retrieved from http://es.wikipedia.org/ wiki/L'aserdeelectroneslibres#mediaviewer/ File:FELprinciple.png.

[6] SLAC National Accelerator Laboratory. Retrieved from http://lcls.slac.stanford.edu/ WhatIsLCLSI.aspx.

[7] European XFEL. Retrieved from http://www. xfel.eu.

[8] Gasser, J., Lyubovitskij, V. E. & Rusetsky, A. (2009). Hadronic atoms in QCD + QED. arXiv: 0711.3522v2.

[9] Delgado Solano, A. & Alonso Mendoza, J. (2012). Seccion eficaz del Hidrogeno Pionico. Tesis de pregrado. Universidad de Pamplona.

[10] Deloff, A. (2003). Fundamentals in hadronic Atom Theory. Warsaw, Poland: Soltan Institute for Nuclear Studies. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

[11] Eidelman, S. et al. (2004). Particle Physics Booklet. Review of Particles Physics, Physics Letters B, 592, 1. PDG Particle Data Grup.

[12] Retrieved from http://www.adelphitech. com/products/dt110.html.

[13] Pabon Riano, D. O. (s. f.). Retrieved from http://renuevatusideasenfisica.blogspot. com/20l4/10/generador-de-'atomos-hidrogenopionico.html.

[14] Griffiths, D. (1987). Introduction to Elementary Particles. Red college. Jhon Wiley and sons, INC.

[15] Ivanov, A. N., Faber, M., Hirtl, A., Marton, J. & Troitskaya, N. I. (2003). Onpionic hydrogen. Quantum field theoretic, relativistic covariant and model independent approach. arXiv:nuclth/ 0306047v3.

[16] Schweizer, J. (2004). Spectrum and decays of hadronic atoms. arXiv: 0408055 v1.

[17] Barry, R. (2008). Hadronic Atoms and Effective Interactions. Holstein Institut Kernphysik and Department of Physics and Astronomy University of Massachusetts Amherst. arXiv:nuclth/9901041v2.

[18] (Sep., 2004). Detection of [pi]^ + [pi]^- atoms with the DIRAC spectrometer at CERN. arXiv:hepex/0409053v2.

[19] (Nov., 2008). Isospin breaking in Kl4 decays. arXiv:0811.0775v1 [hep-ph].

AMANDO DELGADO SOLANO (1)

JAIRO ALONSO MENDOZA (2)

DUDBIL OLVASADA PABON RIANO (3)

(1) Fisico. Grupo de investigacion Integrar. Universidad de Pamplona, Departamento de Fisica y Geologia, Pamplona, Colombia. Correo electronico: email:akkar2230@gmail.com.

(2) Dr. Grupo de investigacion Integrar. Universidad de Pamplona, Departamento de Fisica y Geologia, Pamplona, Colombia. Correo electronico: jairoalonsos@gmail.com.

(3) Fisico. Grupo de Optica Moderna--GOM. Universidad de Pamplona, Departamento de Fisica y Geologia, Pamplona, Colombia. Correo eletronico: dudbilopr@hotmail.com.

Fecha de recepcion: 23/02/2015--Fecha de aceptacion: 30/06/2015.
COPYRIGHT 2015 Universidad Autonoma de Occidente
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2015 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Delgado Solano, Amando; Alonso Mendoza, Jairo; Pabon Riano, Dudbil Olvasada
Publication:Revista El Hombre y la Maquina
Date:Jan 1, 2015
Words:3430
Previous Article:Design and development of an embedded system for spectrum analysis in the infrared regions NIR and MIR for glucose quantification.
Next Article:Transformacion del conocimiento en el proceso de elicitacion de requisitos no funcionales.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2019 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters