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Láser de electrones libres

El láser de electrones libres FELIX de la Universidad de Radboud, Países Bajos. Un láser de electrones libres ( FEL ) es una fuente de luz de cuarta generación que produce pulso...

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El láser de electrones libres FELIX de la Universidad de Radboud, Países Bajos.

Un láser de electrones libres ( FEL ) es una fuente de luz de cuarta generación que produce pulsos de radiación extremadamente brillantes y cortos. Un FEL funciona de manera muy similar a un láser , pero emplea electrones relativistas como medio de ganancia en lugar de utilizar la emisión estimulada de excitaciones atómicas o moleculares. [ 1 ] [ 2 ] En un FEL, un haz de electrones pasa a través de una estructura magnética llamada ondulador o wiggler para generar radiación, que reinteractúa con los electrones para hacer que emitan coherentemente, aumentando exponencialmente su intensidad.

Como la energía cinética de los electrones y los parámetros del ondulador se pueden adaptar según se desee, los láseres de electrones libres son sintonizables y se pueden construir para un rango de frecuencia más amplio que cualquier otro tipo de láser, [ 3 ] actualmente abarcando en longitud de onda desde microondas , pasando por radiación de terahercios e infrarrojos , hasta el espectro visible , ultravioleta y rayos X. [ 4 ]

Representación esquemática de un ondulador , elemento central de un láser de electrones libres.

El primer láser de electrones libres fue desarrollado por John Madey en 1971 en la Universidad de Stanford [ 5 ] utilizando tecnología desarrollada por Hans Motz y sus colaboradores, quienes construyeron un ondulador en Stanford en 1953, [ 6 ] [ 7 ] utilizando la configuración magnética wiggler . Madey utilizó un  haz de electrones de 43 MeV [ 8 ] y un wiggler de 5 m de longitud para amplificar una señal.

Creación de haces

El ondulador de FÉLIX .

Para crear un láser de electrones libres (FEL), se utiliza un cañón de electrones . Un pulso láser corto genera un haz de electrones que ilumina un fotocátodo ubicado dentro de una cavidad de microondas y lo acelera casi a la velocidad de la luz en un dispositivo llamado fotoinyector . El haz se acelera aún más hasta alcanzar una energía específica mediante un acelerador de partículas , generalmente un acelerador lineal de partículas . A continuación, el haz atraviesa una disposición periódica de imanes con polos alternos a lo largo de su trayectoria, lo que crea un campo magnético lateral . La dirección del haz se denomina dirección longitudinal, mientras que la dirección transversal se denomina dirección transversal. Esta matriz de imanes se denomina ondulador , ya que la fuerza de Lorentz del campo obliga a los electrones del haz a oscilar transversalmente, desplazándose a lo largo de una trayectoria sinusoidal alrededor del eje del ondulador.

La aceleración transversal de los electrones a lo largo de esta trayectoria produce la liberación de fotones , que son monocromáticos pero aún incoherentes, debido a que las ondas electromagnéticas de los electrones distribuidos aleatoriamente interfieren constructiva y destructivamente en el tiempo. La potencia de radiación resultante aumenta linealmente con el número de electrones. Los espejos en cada extremo del ondulador crean una cavidad óptica , lo que provoca que la radiación forme ondas estacionarias , o bien se proporciona un láser de excitación externo. La radiación se vuelve suficientemente fuerte como para que el campo eléctrico transversal del haz de radiación interactúe con la corriente electrónica transversal creada por el movimiento oscilatorio sinusoidal, lo que provoca que algunos electrones ganen y otros pierdan energía en el campo óptico a través de la fuerza ponderomotriz .

Esta modulación de energía se transforma en modulaciones de densidad electrónica (corriente) con un periodo de una longitud de onda óptica. De este modo, los electrones se agrupan longitudinalmente en microhaces , separados por una longitud de onda óptica a lo largo del eje. Mientras que un ondulador por sí solo provocaría que los electrones irradiaran de forma independiente (incoherente), la radiación emitida por los electrones agrupados está en fase, y los campos se suman de forma coherente .

La intensidad de la radiación aumenta, provocando un microagrupamiento adicional de los electrones, que continúan irradiando en fase entre sí. [ 9 ] Este proceso continúa hasta que los electrones se microagrupan por completo y la radiación alcanza una potencia de saturación varios órdenes de magnitud superior a la de la radiación del ondulador.

La longitud de onda de la radiación emitida se puede ajustar fácilmente modificando la energía del haz de electrones o la intensidad del campo magnético de los onduladores.

Los FEL son máquinas relativistas ya que los electrones que impulsan el láser se mueven a velocidades relativistas, es decir, a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz . La longitud de onda de la radiación emitida,λr{\displaystyle \lambda _{r}}, viene dado por [ 10 ]

λr=λtú2γ2(1+K22){\displaystyle \lambda _{r}={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}\right)}

o cuando el parámetro de fuerza del ondulador K , que se analiza más adelante, es pequeño.

λr∝λtú2γ2{\displaystyle \lambda _ {r}\propto {\frac {\lambda _ {u}}{2\gamma ^{2}}}}

dóndeλtú{\displaystyle \lambda _{u}}es la longitud de onda del ondulador (el período espacial del campo magnético),γ{\displaystyle \gamma }es el factor de Lorentz relativista y la constante de proporcionalidad depende de la geometría del ondulador y es del orden de 1.

Esta fórmula puede entenderse como una combinación de dos efectos relativistas. Imagina que estás sentado sobre un electrón que pasa a través del ondulador. Debido a la contracción de Lorentz, el ondulador se acorta en unaγ{\displaystyle \gamma }factor y el electrón experimenta una longitud de onda del ondulador mucho más cortaλtú/γ{\displaystyle \lambda _{u}/\gamma }Sin embargo, la radiación emitida a esta longitud de onda se observa en el marco de referencia del laboratorio y el efecto Doppler relativista trae la segundaγ{\displaystyle \gamma }factor a la fórmula anterior. En un FEL de rayos X, la longitud de onda típica del ondulador de 1  cm se transforma en longitudes de onda de rayos X del orden de 1  nm medianteγ{\displaystyle \gamma }≈ 2000, es decir, los electrones tienen que viajar a una velocidad de 0,9999998 c .

Parámetro de fuerza del ondulador K

K , un parámetro adimensional , define la fuerza del ondulador como la relación entre la longitud de un período y el radio de curvatura,

K=γλtú2πρ=miB0λtú2πmetromido{\displaystyle K={\frac {\gamma \lambda _ {u}}{2\pi \rho }}={\frac {eB_ {0}\lambda _ {u}}{2\pi m_ {e}c}}}

dóndeρ{\displaystyle \rho }es el radio de curvatura,B0{\displaystyle B_{0}}es el campo magnético aplicado,metromi{\displaystyle m_{e}}es la masa del electrón, ymi{\displaystyle e}es la carga elemental .

Expresado en unidades prácticas, el parámetro adimensional del ondulador es K=0,934⋅B0[T]⋅λtú[centímetro]{\displaystyle K=0.934\cdot B_{0}\,{\text{[T]}}\cdot \lambda _{u}\,{\text{[cm]}}}.

Efectos cuánticos

En la mayoría de los casos, la teoría del electromagnetismo clásico explica adecuadamente el comportamiento de los láseres de electrones libres. [ 11 ] Para longitudes de onda suficientemente cortas, puede ser necesario considerar los efectos cuánticos del retroceso de los electrones y el ruido de disparo . [ 12 ]

Construcción

Los láseres de electrones libres requieren el uso de un acelerador de electrones con su blindaje correspondiente, ya que los electrones acelerados pueden representar un riesgo de radiación si no se contienen adecuadamente. Estos aceleradores suelen alimentarse con klistrones , que requieren una fuente de alto voltaje. El haz de electrones debe mantenerse en vacío , lo que exige el uso de numerosas bombas de vacío a lo largo de su trayectoria. Si bien este equipo es voluminoso y costoso, los láseres de electrones libres pueden alcanzar potencias pico muy altas, y su capacidad de ajuste los hace muy deseables en muchas disciplinas, incluyendo la química, la determinación de la estructura de moléculas en biología, el diagnóstico médico y los ensayos no destructivos .

Láseres de electrones libres infrarrojos y de terahercios

El Instituto Fritz Haber de Berlín completó un FEL de infrarrojo medio y terahercios en 2013. [ 13 ] [ 14 ]

En el Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, operan dos fuentes basadas en FEL de terahercios e infrarrojo medio. FELBE es un FEL equipado con una cavidad de pulsación continua con una frecuencia de repetición de 13  MHz, pulsación a 1  kHz mediante un selector de pulsos y operación de macrobunch con una duración de paquete > 100 μs y frecuencias de repetición de macrobunch ≤ 25  Hz. La duración y la energía del pulso varían con la longitud de onda y se encuentran en el rango de 1 a 25 ps y de 100 nJ a unos pocos μJ, respectivamente. [ 15 ] La instalación TELBE se basa en un ondulador superradiante que ofrece pulsos de THz que van desde 0,1 THz hasta 2,5 THz a frecuencias de repetición de hasta 500  kHz. [ 16 ]

Láseres de electrones libres de rayos X

La falta de materiales reflectantes capaces de reflejar la radiación ultravioleta extrema y los rayos X obliga a que los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) funcionen sin una cavidad resonante . Por consiguiente, el haz se produce mediante un único paso de la radiación a través del ondulador . Esto requiere una amplificación suficiente en un solo paso para generar un haz útil.

Los XFEL utilizan secciones de ondulador de decenas o cientos de metros de longitud. Esto les permite producir los pulsos de rayos X más brillantes de cualquier fuente de rayos X artificial. Los pulsos intensos aprovechan el principio de emisión espontánea autoamplificada (SASE), que da lugar a la microagrupación . Inicialmente, todos los electrones se distribuyen uniformemente y emiten únicamente radiación espontánea incoherente. Mediante la interacción de esta radiación y las oscilaciones de los electrones , estos se agrupan en micropaquetes separados por una distancia igual a la longitud de onda de la radiación. Esta interacción impulsa a los electrones a emitir radiación coherente. La radiación emitida puede reforzarse perfectamente, de modo que las crestas y los valles de las ondas se superponen de forma óptima. Esto produce un aumento exponencial de la potencia, lo que da lugar a altas intensidades de haz y propiedades similares a las de un láser. [ 17 ]

Algunos ejemplos de instalaciones que operan según el principio SASE FEL son:

En 2022, una actualización de la fuente de luz coherente Linac (LCLS-II) de la Universidad de Stanford utilizó temperaturas de alrededor de −271 °C para producir 10⁶ pulsos /segundo de electrones cercanos a la velocidad de la luz, utilizando cavidades de niobio superconductoras. [ 19 ] 

Siembra y autosiembra

Un problema de los láseres de electrones libres SASE es la falta de coherencia temporal debido a un proceso de arranque ruidoso . Para evitarlo, se puede "sembrar" un láser de electrones libres con un láser sintonizado a su resonancia. Esta semilla temporalmente coherente se puede producir mediante métodos más convencionales, como la generación de armónicos de alto orden (HHG) utilizando un pulso láser óptico. Esto produce una amplificación coherente de la señal de entrada; en efecto, la calidad del láser de salida se caracteriza por la semilla. Si bien existen semillas HHG disponibles en longitudes de onda hasta el ultravioleta extremo, la siembra no es factible en longitudes de onda de rayos X debido a la falta de láseres de rayos X convencionales.

A finales de 2010, en Italia, la fuente FEL con semilla FERMI@Elettra [ 20 ] comenzó su puesta en marcha en el Laboratorio de Sincrotrón de Trieste . FERMI@Elettra es una instalación de usuario FEL de paso único que cubre el rango de longitud de onda de 100  nm (12  eV) a 10  nm (124  eV), ubicada junto a la instalación de radiación sincrotrón de tercera generación ELETTRA en Trieste, Italia.

En 2001, en el laboratorio nacional de Brookhaven , se desarrolló una técnica de siembra llamada "Generación armónica de alta ganancia" que funciona a longitudes de onda de rayos X. [ 21 ] La técnica, que puede ser de múltiples etapas en un FEL para lograr longitudes de onda cada vez más cortas, utiliza un desplazamiento longitudinal de la radiación con respecto al haz de electrones para evitar la reducción de la calidad del haz causada por una etapa anterior. Esta etapa longitudinal a lo largo del haz se llama "Fresh-Bunch". [ 22 ] Esta técnica fue demostrada a longitudes de onda de rayos X [ 23 ] [ 24 ] en el Laboratorio de Sincrotrón de Trieste .

Un método de separación similar, denominado "Fresh-Slice", se demostró en el Instituto Paul Scherrer , también en longitudes de onda de rayos X. En Fresh Slice, el pulso corto de rayos X producido en la primera etapa se traslada a una parte nueva del haz de electrones mediante una inclinación transversal del mismo. [ 25 ]

En 2012, científicos que trabajaban en el LCLS encontraron una solución alternativa a la limitación de la inyección de rayos X mediante la auto-inyección del láser con su propio haz tras filtrarlo a través de un monocromador de diamante . La intensidad y monocromaticidad resultantes del haz fueron sin precedentes y permitieron realizar nuevos experimentos de manipulación de átomos y obtención de imágenes de moléculas. Otros laboratorios de todo el mundo están incorporando esta técnica a sus equipos. [ 26 ] [ 27 ]

Investigación

Biomédica

Investigación básica

Los investigadores han explorado los láseres de electrones libres de rayos X como una alternativa a las fuentes de luz de sincrotrón que han sido los pilares de la cristalografía de proteínas y la biología celular . [ 28 ]

Los rayos X excepcionalmente brillantes y rápidos pueden obtener imágenes de proteínas mediante cristalografía de rayos X. Esta técnica permite obtener imágenes por primera vez de proteínas que no se apilan de forma que permita su visualización mediante técnicas convencionales, lo que representa el 25 % del número total de proteínas.  Se han alcanzado resoluciones de 0,8 nm con duraciones de pulso de 30 femtosegundos . Para obtener una visión clara,  se requiere una resolución de 0,1 a 0,3 nm. Las cortas duraciones de pulso permiten registrar imágenes de patrones de difracción de rayos X antes de que las moléculas se destruyan. [ 29 ] Los rayos X brillantes y rápidos se produjeron en la Fuente de Luz Coherente Linac en SLAC. En 2014, LCLS era el FEL de rayos X más potente del mundo. [ 30 ]

Debido al aumento de las tasas de repetición de las fuentes FEL de rayos X de próxima generación, como el European XFEL , se espera que el número de patrones de difracción también aumente considerablemente. [ 31 ] Este aumento en el número de patrones de difracción supondrá una gran presión para los métodos de análisis existentes. Para contrarrestar esto, se han investigado varios métodos para clasificar la enorme cantidad de datos que generarán los experimentos típicos con FEL de rayos X. [ 32 ] [ 33 ] Si bien se ha demostrado la eficacia de los diversos métodos, es evidente que para allanar el camino hacia la obtención de imágenes FEL de rayos X de partículas individuales a tasas de repetición completas, es necesario superar varios desafíos antes de que se pueda lograr la próxima revolución en la resolución. [ 34 ] [ 35 ]

Un desafío pendiente es encontrar una manera eficiente de suministrar partículas individuales al haz de rayos X. Se están desarrollando varios enfoques diferentes para abordar este problema, entre los que se incluyen la ionización por electrospray , las boquillas virtuales gasodinámicas y los chorros de láminas líquidas , cuyo objetivo es proporcionar flujos de muestra estables y reproducibles. [ 36 ] [ 37 ]

Es fundamental asegurar consistentemente que las partículas intersecten con el haz de rayos X. Debido a la introducción de partículas individuales, la tasa de impacto en el haz suele ser muy baja. Esto representa una limitación importante en la obtención de imágenes FEL de rayos X de partícula única. Por lo tanto, mejorar la concentración de la muestra y la precisión del método de suministro es crucial para aumentar la eficiencia de la recolección de datos. [ 38 ]

Nuevos biomarcadores para enfermedades metabólicas: aprovechando la selectividad y sensibilidad que ofrece la combinación de espectroscopia de iones infrarrojos y espectrometría de masas, los científicos pueden obtener una huella estructural de moléculas pequeñas en muestras biológicas, como sangre u orina. Esta metodología novedosa y única está generando nuevas e interesantes posibilidades para comprender mejor las enfermedades metabólicas y desarrollar estrategias diagnósticas y terapéuticas innovadoras.

Cirugía

La investigación realizada por Glenn Edwards y sus colegas en el Centro FEL de la Universidad de Vanderbilt en 1994 descubrió que los tejidos blandos, incluyendo la piel, la córnea y el tejido cerebral, podían cortarse o ablacionarse utilizando longitudes de onda FEL infrarrojas de alrededor de 6,45 micrómetros con un daño colateral mínimo al tejido adyacente. [ 39 ] [ 40 ] Esto condujo a cirugías en humanos, las primeras en utilizar un láser de electrones libres. A partir de 1999, Copeland y Konrad realizaron tres cirugías en las que resecaron tumores cerebrales de meningioma . [ 41 ] A partir de 2000, Joos y Mawn realizaron cinco cirugías que cortaron una ventana en la vaina del nervio óptico , para probar la eficacia de la fenestración de la vaina del nervio óptico . [ 42 ] Estas ocho cirugías produjeron resultados consistentes con el estándar de atención y con el beneficio adicional de un daño colateral mínimo. Una revisión de los FEL para usos médicos se presenta en la 1.ª edición de Tunable Laser Applications. [ 43 ]

eliminación de grasa

Se han creado varios láseres clínicos pequeños, sintonizables en el rango de 6 a 7 micrómetros, con una estructura de pulso y energía que minimizan el daño colateral en los tejidos blandos. En Vanderbilt, existe un sistema con desplazamiento Raman bombeado por un láser de alejandrita. [ 44 ]

Rox Anderson propuso la aplicación médica del láser de electrones libres para derretir grasas sin dañar la piel suprayacente. [ 45 ] En longitudes de onda infrarrojas , el agua en el tejido se calentaba con el láser, pero en longitudes de onda correspondientes a 915, 1210 y 1720 nm , los lípidos subsuperficiales se calentaban de forma diferencial con mayor intensidad que el agua. Las posibles aplicaciones de esta fototermólisis selectiva (calentamiento de tejidos mediante luz) incluyen la destrucción selectiva de los lípidos del sebo para tratar el acné , así como el tratamiento de otros lípidos asociados con la celulitis y la grasa corporal, así como las placas grasas que se forman en las arterias, lo que puede ayudar a tratar la aterosclerosis y las enfermedades cardíacas . [ 46 ]

Militar

La tecnología FEL está siendo evaluada por la Armada de los EE. UU. como candidata para un arma de energía dirigida antiaérea y antimisiles . El FEL de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson ha demostrado una potencia de salida superior a 14 kW. [ 47 ] Se están investigando armas FEL compactas de clase multi-megavatio. [ 48 ] El 9 de junio de 2009, la Oficina de Investigación Naval anunció que había otorgado a Raytheon un contrato para desarrollar un FEL experimental de 100 kW. [ 49 ] El 18 de marzo de 2010, Boeing Directed Energy Systems anunció la finalización de un diseño inicial para uso naval estadounidense. [ 50 ] Se demostró un prototipo del sistema FEL, y se programó un prototipo de plena potencia para 2018. [ 51 ]  

Ganadores del premio FEL

El premio FEL se otorga a una persona que haya contribuido significativamente al avance del campo de los láseres de electrones libres. Además, brinda a la comunidad internacional de FEL la oportunidad de reconocer a sus miembros por sus logros sobresalientes. Los ganadores del premio se anuncian en la conferencia FEL, que actualmente se celebra cada dos años.

  • 1988 John Madey
  • 1989 William Colson
  • 1990 Todd Smith y Luis Elías
  • 1991 Phillip Sprangle y Nikolai Vinokurov
  • 1992 Robert Phillips
  • 1993 Roger Warren
  • 1994 Alberto Renieri y Giuseppe Dattoli
  • 1995 Richard Pantell y George Bekefi
  • 1996 Charles Brau
  • 1997 Kwang-Je Kim
  • 1998 John Walsh
  • 1999 Claudio Pellegrini
  • 2000 Stephen V. Benson, Eisuke J. Minehara y George R. Neil
  • 2001 Michel Billardon, Marie-Emmanuelle Couprie y Jean-Michel Ortega
  • 2002 H. Alan Schwettman y Alexander FG van der Meer
  • 2003 Li-Hua Yu
  • 2004 Vladimir Litvinenko y Hiroyuki Hama
  • 2005 Avraham (Avi) Gobernador
  • 2006 Evgueni Saldin y Jörg Rossbach
  • 2007 Ilan Ben-Zvi y James Rosenzweig
  • 2008 Samuel Krinsky
  • 2009 David Dowell y Paul Emma
  • 2010 Sven Reiche
  • Shintake Tsumoru 2011
  • 2012 John Galayda
  • 2013 Luca Giannessi y Young Uk Jeong
  • 2014 Zhirong Huang y William Fawley
  • 2015 Mikhail Yurkov y Evgeny Schneidmiller
  • 2017 Bruce Carlsten , Dinh Nguyen y Richard Sheffield
  • 2019 Enrico Allaria, Gennady Stupakov y Alex Lumpkin
  • 2022 Brian McNeil y Ying Wu
  • 2024 Toru Hara, Hitoshi Tanaka y Takashi Tanaka

Premio FEL para Jóvenes Científicos

El premio FEL para jóvenes científicos (o "Premio FEL para jóvenes investigadores") tiene como objetivo reconocer las contribuciones destacadas a la ciencia y la tecnología FEL de una persona que tenga menos de 37 años de edad en el momento de la conferencia FEL. [ 52 ]

  • 2008 Michael Röhrs
  • 2009 Pavel Evtushenko
  • 2010 Guillaume Lambert
  • 2011 Marie Labat
  • 2012 Daniel F. Ratner
  • 2013 Dao Xiang
  • 2014 Erik Hemsing
  • 2015 Agostino Marinelli y Haixiao Deng
  • 2017 Eugenio Ferrari y Eléonore Roussel
  • 2019 Joe Duris y Chao Feng
  • 2022 Zhen Zhang, Jiawei Yan y Svitozar Serkez
  • 2024 Philipp Dijkstal

Véase también

Referencias

  1. ↑ Margaritondo, G.; Rebernik Ribic, P. (2011-03-01). "Una descripción simplificada de los láseres de electrones libres de rayos X" . Journal of Synchrotron Radiation . 18 (2): 101– 108. Bibcode : 2011JSynR..18..101M . doi : 10.1107/S090904951004896X . ISSN 0909-0495 . PMC 3042323. PMID 21335894 .   
  2. ↑ Huang, Z.; Kim, KJ (2007). "Revisión de la teoría del láser de electrones libres de rayos X" (PDF) . Physical Review Special Topics: Accelerators and Beams . 10 (3) 034801. Bibcode : 2007PhRvS..10c4801H . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.10.034801 .
  3. ↑ FJ Duarte (Ed.), Manual de láseres sintonizables (Academic, Nueva York, 1995) Capítulo 9.
  4. ↑ "Comienza una nueva era de investigación: el primer láser de rayos X duros del mundo logra su "primera luz""" . Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. 21 de abril de 2009 . Consultado el 6 de noviembre de 2013 .
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  6. ↑ Motz, Hans (1951). "Aplicaciones de la radiación de haces de electrones rápidos" . Journal of Applied Physics . 22 (5): 527– 535. Bibcode : 1951JAP....22..527M . doi : 10.1063/1.1700002 .
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  • XFEL europeo
  • PSI SwissFEL
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  • PAL-XFEL , Corea del Sur
  • Sistema de transporte del haz de electrones y diagnóstico del láser de electrones libres de Dresde
  • El láser de electrones libres para experimentos infrarrojos FELIX
  • Centro de Láser de Electrones Libres WM Keck
  • Programa de láser de electrones libres del Laboratorio Jefferson
  • Láseres de electrones libres: La próxima generación, por Davide Castelvecchi, New Scientist , 21 de enero de 2006.
  • Láser de electrones libres aerotransportado de clase megavatio para defensa y seguridad.
  • Proyecto de láser de electrones libres FERMI@Elettra
  • Centro de Ciencia de Láseres de Electrones Libres (CFEL)
  • Laboratorio FELIX , láseres de electrones libres en Nijmegen, Países Bajos.