El 30 de noviembre de 2009, los representantes de Dinamarca, Alemania, Grecia, Hungría, Italia, Polonia, Rusia, la República Eslovaca, Suecia y Suiza (a los que más adelante se unirán Francia, España y China) firmaron el "Convenio relativo a la construcción y operación de una Instalación europea para un Laser de Rayos X generados por Electrones Libres (X-ray Free-Electron Laser, XFEL)". Para comprender mejor este futuro que está a la vuelta de la esquina, aquí está la explicación de como trabaja el XFEL.
Este es el principio de un láser de electrones libres: los electrones son primero llevados a altas energías en un acelerador superconductor. A continuación, son dirigidos a través de un arreglo especial de imanes (el "ondulador"), en el que emiten radiación a través de destellos láser.
Primer paso: Se llevan los electrones a altas energías
La primera parte de la instalación es un acelerador de partículas de 1,7 kilómetros de largo, que lleva los haces de electrones a altas energías, casi a la velocidad de la luz.
Los electrones son acelerados en cavidades especiales llamadas resonadores. En estos resonadores, una oscilación de microondas transfiere su energía a los electrones.
Los resonadores son de niobio (un metal de transición dúctil, gris, blando y poco abundante) y son superconductores; cuando se enfrían a una temperatura de -271 grados Celsius, pierden su resistencia eléctrica. La corriente eléctrica fluye entonces a través de los resonadores, sin pérdidas de ningún tipo, y casi toda la energía eléctrica se transfiere a las partículas. Por otra parte, los resonadores superconductores entregan un haz de electrones muy fino y uniforme. Un haz de partículas de muy alta calidad es el requisito indispensable para operar un láser de rayos X.
Los racimos de electrones son generados golpeando las partículas contra un trozo de metal utilizando un láser convencional. Las especificaciones que tiene que cumplir la fuente de electrones son de muy alta exigencia, ya que incluso las más pequeñas irregularidades en el comienzo se amplifican en el curso del proceso de aceleración y resultan en un haz de electrones de calidad insuficiente.
Vista artística interior: Aceleración en un resonador. Los campos electromagnéticos aceleran los electrones en los resonadores superconductores del XFEL Europeo. (DESY / XFEL Europeo, Opción Z).
Vista exterior real: Elemento superconducor acelerador. Estructuras de niobio, llamadas resonadores, se utilizan en el XFEL europeo para acelerar los electrones. A una temperatura de -271 grados Celsius, pierden su resistencia eléctrica. (DESY / XFEL Europeo)
Segundo paso: Se induce a los electrones a emitir luz
Los electrones acelerados, a continuación, corren a través de los llamados onduladores, arreglos periódicos de imanes que fuerzan a los electrones a desplazarse apretados a través de un curso de slalom (ondulante). En el proceso, cada electrón individual emite radiación de rayos X que se amplifica más y más.
Este proceso de amplificación es inducida por la interacción de la radiación de rayos X con los electrones: Dado que la radiación es más rápida que la velocidad de los electrones a lo largo de su camino slalom, la radiación alcanza los electrones que están delante y actúa recíprocamente con ellos a lo largo de la trayectoria, acelerando algunos de ellos y haciendo otros más lentos. Como resultado, los electrones se organizan poco a poco en una multitud de discos muy delgados. La característica clave de este proceso es el hecho de que todos los electrones en cada disco emiten su luz "en sintonía", sincronizados. Esto produce destellos de rayos X muy cortos e intensos, con las propiedades de la luz láser.
Este es el principio SASE, de emisión espontánea auto-amplificada (en inglés self-amplified spontaneous emission). Dado que la estructura de los discos delgados tarda algún tiempo en adquirir plena forma en los onduladores, los láseres de electrones libres requieren onduladores muy largos. En el XFEL Europeo serán de más de 100 metros de largo.
Como un acelerador de electrones puede conducir varios onduladores al mismo tiempo, es posible generar radiación con diferentes propiedades para estaciones experimentales diferentes. En una primera etapa, el XFEL europeo proporcionará cinco onduladores con diez estaciones experimentales.
Vista artística interior: Generación de destellos de rayos X (XFEL Europeo y Marc Hermann / Tricklabor).
Vista exterior real: Ondulador. Para generar destellos láser de rayos X extremadamente cortos e intensos, los racimos de electrones de alta energía son dirigidos a través de arreglos especiales de imanes.
Tercer paso: Uso de los destellos de rayos X para la investigación
Los destellos de rayos X del XFEL Europeo permiten una gran variedad de experiencias muy diferentes en varias estaciones experimentales diferentes.
Los experimentos son similares en su configuración básica: dependiendo de los requerimientos, los destellos de rayos X pueden ser ampliados, centrados, filtrados o debilitados con elementos ópticos tales como espejos, rejas, aberturas o cristales. Las muestras se presentan en la estación experimental, donde interactúan con los destellos de rayos X. Los resultados de estas interacciones se miden utilizando detectores especiales. Los datos se registran y procesan para su análisis. Los investigadores pueden seguir el progreso de los experimentos en una sala de control contigua.
Fuentes:
• How does it work? (XFEL European)
• Ten nations sign up for European XFEL project (CERN Courier)
Este es el principio de un láser de electrones libres: los electrones son primero llevados a altas energías en un acelerador superconductor. A continuación, son dirigidos a través de un arreglo especial de imanes (el "ondulador"), en el que emiten radiación a través de destellos láser.Primer paso: Se llevan los electrones a altas energías
La primera parte de la instalación es un acelerador de partículas de 1,7 kilómetros de largo, que lleva los haces de electrones a altas energías, casi a la velocidad de la luz.
Los electrones son acelerados en cavidades especiales llamadas resonadores. En estos resonadores, una oscilación de microondas transfiere su energía a los electrones.
Antes de continuar con la lectura, podemos saber más sobre rayos X generados por electrones
Los rayos X se pueden generar a través de más de un proceso físico. En este caso, en el XFEL, son producto de la desaceleración rápida de los electrones al chocar contra un blanco. Un ejemplo casero de esta clase de generación, "salvando las distancias de energía involucrada", es el de los tubos de vacío de los televisores; allí los electrones acelerados (llamados rayos catódicos) al chocar contra el fósforo de la pantalla sufren una desaceleración total, entonces, gran parte de la energía cinética que traen, se transforma en emisión de rayos X de muy baja energía y bloqueados, la mayor parte, por el espeso vidrio al plomo de la pantalla.
Los rayos X se pueden generar a través de más de un proceso físico. En este caso, en el XFEL, son producto de la desaceleración rápida de los electrones al chocar contra un blanco. Un ejemplo casero de esta clase de generación, "salvando las distancias de energía involucrada", es el de los tubos de vacío de los televisores; allí los electrones acelerados (llamados rayos catódicos) al chocar contra el fósforo de la pantalla sufren una desaceleración total, entonces, gran parte de la energía cinética que traen, se transforma en emisión de rayos X de muy baja energía y bloqueados, la mayor parte, por el espeso vidrio al plomo de la pantalla.
Los resonadores son de niobio (un metal de transición dúctil, gris, blando y poco abundante) y son superconductores; cuando se enfrían a una temperatura de -271 grados Celsius, pierden su resistencia eléctrica. La corriente eléctrica fluye entonces a través de los resonadores, sin pérdidas de ningún tipo, y casi toda la energía eléctrica se transfiere a las partículas. Por otra parte, los resonadores superconductores entregan un haz de electrones muy fino y uniforme. Un haz de partículas de muy alta calidad es el requisito indispensable para operar un láser de rayos X.
Los racimos de electrones son generados golpeando las partículas contra un trozo de metal utilizando un láser convencional. Las especificaciones que tiene que cumplir la fuente de electrones son de muy alta exigencia, ya que incluso las más pequeñas irregularidades en el comienzo se amplifican en el curso del proceso de aceleración y resultan en un haz de electrones de calidad insuficiente.
Vista artística interior: Aceleración en un resonador. Los campos electromagnéticos aceleran los electrones en los resonadores superconductores del XFEL Europeo. (DESY / XFEL Europeo, Opción Z).
Vista exterior real: Elemento superconducor acelerador. Estructuras de niobio, llamadas resonadores, se utilizan en el XFEL europeo para acelerar los electrones. A una temperatura de -271 grados Celsius, pierden su resistencia eléctrica. (DESY / XFEL Europeo)Segundo paso: Se induce a los electrones a emitir luz
Los electrones acelerados, a continuación, corren a través de los llamados onduladores, arreglos periódicos de imanes que fuerzan a los electrones a desplazarse apretados a través de un curso de slalom (ondulante). En el proceso, cada electrón individual emite radiación de rayos X que se amplifica más y más.
Este proceso de amplificación es inducida por la interacción de la radiación de rayos X con los electrones: Dado que la radiación es más rápida que la velocidad de los electrones a lo largo de su camino slalom, la radiación alcanza los electrones que están delante y actúa recíprocamente con ellos a lo largo de la trayectoria, acelerando algunos de ellos y haciendo otros más lentos. Como resultado, los electrones se organizan poco a poco en una multitud de discos muy delgados. La característica clave de este proceso es el hecho de que todos los electrones en cada disco emiten su luz "en sintonía", sincronizados. Esto produce destellos de rayos X muy cortos e intensos, con las propiedades de la luz láser.
Este es el principio SASE, de emisión espontánea auto-amplificada (en inglés self-amplified spontaneous emission). Dado que la estructura de los discos delgados tarda algún tiempo en adquirir plena forma en los onduladores, los láseres de electrones libres requieren onduladores muy largos. En el XFEL Europeo serán de más de 100 metros de largo.
Como un acelerador de electrones puede conducir varios onduladores al mismo tiempo, es posible generar radiación con diferentes propiedades para estaciones experimentales diferentes. En una primera etapa, el XFEL europeo proporcionará cinco onduladores con diez estaciones experimentales.
Vista artística interior: Generación de destellos de rayos X (XFEL Europeo y Marc Hermann / Tricklabor).
Vista exterior real: Ondulador. Para generar destellos láser de rayos X extremadamente cortos e intensos, los racimos de electrones de alta energía son dirigidos a través de arreglos especiales de imanes.Tercer paso: Uso de los destellos de rayos X para la investigación
Los destellos de rayos X del XFEL Europeo permiten una gran variedad de experiencias muy diferentes en varias estaciones experimentales diferentes.
Los experimentos son similares en su configuración básica: dependiendo de los requerimientos, los destellos de rayos X pueden ser ampliados, centrados, filtrados o debilitados con elementos ópticos tales como espejos, rejas, aberturas o cristales. Las muestras se presentan en la estación experimental, donde interactúan con los destellos de rayos X. Los resultados de estas interacciones se miden utilizando detectores especiales. Los datos se registran y procesan para su análisis. Los investigadores pueden seguir el progreso de los experimentos en una sala de control contigua.
Ubicación, sitios y túneles
El XFEL europeo, de más de tres kilómetros de largo, comenzará en el sitio DESY (del alemán "Deutsches Elektronen Synchrotron", o "Sincrotrón Alemán de Electrones") en Hamburgo-Bahrenfeld, y correrá en dirección norte-oeste hasta la ciudad de Schenefeld (distrito de Pinneberg, Schleswig-Holstein), donde se encuentra el edificio principal, con su sala de experimentos subterráneos. Veamos las etapas:
Sitio DESY-Bahrenfeld: el comienzo.
El sitio DESY-Bahrenfeld marca el comienzo del XFEL Europeo. El túnel principal, que albergará el acelerador de electrones, comienza aquí, en una profundidad de unos 38 m bajo tierra.
Sitio Osdorfer Nacido: el comienzo del ventilador del túnel.
Bajo el sitio Osdorfer Born, los racimos de electrones se distribuyen por primera vez en los túneles en los que van a generar la luz de rayos X.
Sitio Schenefeld: el campus de la investigación.
El sitio Schenefeld es el centro de la investigación y la innovación con el XFEL Europeo. Es la dirección del futuro centro de investigación, el lugar donde alrededor de 350 personas trabajarán.
Los edificios del túnel
La parte principal de la instalación se encuentra en los túneles subterráneos. Aquí es donde los electrones son acelerados e inducidos para generar la radiación de rayos X.
El XFEL europeo, de más de tres kilómetros de largo, comenzará en el sitio DESY (del alemán "Deutsches Elektronen Synchrotron", o "Sincrotrón Alemán de Electrones") en Hamburgo-Bahrenfeld, y correrá en dirección norte-oeste hasta la ciudad de Schenefeld (distrito de Pinneberg, Schleswig-Holstein), donde se encuentra el edificio principal, con su sala de experimentos subterráneos. Veamos las etapas:Sitio DESY-Bahrenfeld: el comienzo.
El sitio DESY-Bahrenfeld marca el comienzo del XFEL Europeo. El túnel principal, que albergará el acelerador de electrones, comienza aquí, en una profundidad de unos 38 m bajo tierra.
Sitio Osdorfer Nacido: el comienzo del ventilador del túnel.
Bajo el sitio Osdorfer Born, los racimos de electrones se distribuyen por primera vez en los túneles en los que van a generar la luz de rayos X.
Sitio Schenefeld: el campus de la investigación.
El sitio Schenefeld es el centro de la investigación y la innovación con el XFEL Europeo. Es la dirección del futuro centro de investigación, el lugar donde alrededor de 350 personas trabajarán.
Los edificios del túnel
La parte principal de la instalación se encuentra en los túneles subterráneos. Aquí es donde los electrones son acelerados e inducidos para generar la radiación de rayos X.
Fuentes:
• How does it work? (XFEL European)
• Ten nations sign up for European XFEL project (CERN Courier)
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