Làser de raigs X

1993/06/01 Alargunsoro, F. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Fisika

Si es vol veure un objecte cal il·luminar-lo. Però la llum, la llum visible, és una radiació electromagnètica de determinades longituds d'ona i no és visible cap objecte menor que aquestes longituds d'ona. Més o menys semblant al que ocorre amb el llapis a un dibuixant. Si vol dibuixar una casa en el paper, és obligatori que la grandària de la casa en paper sigui major que la punta del llapis. Cap casa menor que el gruix de la punta d'aquest llapis pot dibuixar sobre el paper amb aquesta eina.

Tipus de radiació

La longitud d'ona de la ^llum visible sol rondar els 10-6 i els ^10-7 metres, és a dir, la mil·lèsima part del mil·límetre. Per tant, cap objecte menor que aquesta grandària pot veure's amb radiació de llum visible. Per a això, els físics han utilitzat fins ara làsers de radiació ultraviolada, ja que són de longitud d'ona més curta, però quan es vol veure cèl·lules de persones i animals, les radiacions ultraviolades també tenen una longitud d'ona massa gran. No obstant això, per sota de la longitud d'ona de 1,5x10 ^-7 m (o 1.500 eltngström), existeixen importants problemes de fabricació de làsers en el camp dels raigs X i dels raigs gamma. Si tots són radiacions electromagnètiques (només tenen una longitud d'ona diferent), per què hi ha aquestes barreres?

Cal recórrer a la física atòmica per a aclarir-ho. La llum està formada pels fotons que emeten els àtoms quan han sofert canvis energètics. La clau està en els electrons que giren al voltant del nucli. Quan l'àtom es troba en el seu estat energètic fonamental, els electrons circulen tranquils en la seva òrbita. No obstant això, quan l'àtom és excitat, els electrons reben energia i com més gran és l'energia rebuda, major és l'òrbita. Una vegada finalitzada l'excitació de l'àtom, els electrons descendeixen a una òrbita de menor energia, emetent fotons. La longitud d'ona de l'emissió depèn de les òrbites inicials i finals dels electrons.

Basi làser

En la llum que emet el sol o l'espelma, els fotons s'estenen a totes les direccions i a diferents longituds d'ona. El mecanisme làser és bàsicament el mateix, però l'emissió de fotons és unidireccional i d'una sola longitud d'ona.

Per a entendre millor, farem una comparació. Pensem que els electrons són bales i que les òrbites són graons d'una escala sorollosa. Els fotons seran el soroll produït per les bales en pujar els graons, cadascun d'ells amb un to determinat. Si les bales es llancen a l'atzar pel replà, sortirà un so feble amb moltes notes. Però si es llancen totes les bales alhora i a un nivell, s'escoltarà amb força la nota corresponent a aquest nivell.

Això és el que fa el làser. I és que els físics aprofiten una tendència dels electrons, ja que en algunes condicions tendeixen a anar a uns nivells d'energia. El que cal fer és crear aquestes condicions.

A través d'una font externa de radiació, molts àtoms d'un cos (pot ser sòlid, líquid o gas) es col·locaran en el mateix estat d'excitació. Aquesta operació es denomina “bombament òptic” i quan els àtoms així excitats formen la majoria, els físics diuen que hi ha hagut una “inversió poblacional”. Això dóna inici a aquest efecte làser.

El fotó emès per un àtom de la població excitat té grans possibilitats de xocar amb un altre àtom excitat. Aquesta última es “descita” emetent l'energia de l'atacant i el fotó de la mateixa direcció. Aquest fotó fa el mateix que l'anterior. Per tant, un conjunt de reaccions amplificarà immediatament la radiació produïda. El mecanisme que aconsegueix una gran intensitat és la cavitat òptica. Disposa de dos miralls paral·lels per a enviar fotons al lloc on es produeix l'efecte làser. D'aquesta manera, la radiació s'amplifica en cada avanç dels fotons i s'escapa per una petita ranura situada en un dels miralls.

Aquest flux de fotons difereix notablement del flux emès pel fil del llum elèctric incandescent. En el llum la llum sobresurt en totes les direccions i per a una determinada quantitat d'energia la intensitat és menor a mesura que el filament es va espessint. Per contra, el flux làser es dirigeix cap a l'interior d'un con molt estret, i a més, com més llarg sigui el cos en el qual es genera el làser (o més reculada dels fotons), major és la intensitat. Els fotons són del mateix nivell d'energia (o longitud d'ona).

Dificultats de raigs X

Aquest esquema general del làser es realitza fàcilment en llum visible o radiació ultraviolada, però fins al moment ha estat impossible realitzar un làser de raigs X. Un dels motius ha estat l'absència de miralls capaços de reflectir els raigs X, però també és un obstacle més greu. Una llei física indica que quant menor és la longitud d'ona de la radiació, major és l'emissió pròpia. Per exemple, si la longitud d'ona és deu vegades menor, l'emissió pròpia és mil vegades major. Per això, la radiació excitada se submergeix en nombrosos fotons emesos de manera natural i el làser de raigs X no pot separar-se d'aquesta radiació barrejada. Per tant, no hi ha solució per al làser de raigs X?

Tornem a la base del làser anteriorment esmentat. Nosaltres hem de generar una “inversió de població” especial i els àtoms molt excitats han de baixar d'un nivell d'energia determinat a un altre perquè emetin raigs X. Es va demostrar que teòricament és possible a mitjan dècada dels 70, però en la pràctica només s'ha aconseguit a mig fer, ja que la vida dels nivells d'excitació necessaris és molt curta (equivalent al bilió de segon o al ^{picosegundos, 10 -12} s aproximadament). En la llum visible, per contra, la vida dels nivells d'excitació se situa entorn dels quaranta nanosegons (10 ^-9 segons), augmentant el temps a mesura que augmenta la longitud d'ona de la radiació.

Els físics tenen grans problemes per a aconseguir excitacions a nivell de raigs X en els àtoms. Si s'aprofitessin del bombament òptic, la font de llum s'evaporaria o tornaria perquè la font utilitzada hauria de ser molt potent.

La solució pot ser utilitzar plasma. Quan el material està en estat de plasma, els seus àtoms estan tan excitats que perden part (o la totalitat) del núvol electrònic. Aquests plasmes, quan estan molt calents, és a dir, molt excitats, emeten en realitat radiació de raigs X. A més, els àtoms s'escalfen i refreden molt ràpidament i en el plasma abunden els remolins, les pressions i les depressions. En conseqüència, les inversions poblacionals podrien generar-se de manera espontània.

No obstant això, en els últims anys en alguns laboratoris s'han realitzat algunes sessions de làser de raigs X. A Amèrica del Nord, els laboratoris Livermore van ser Denis Matthews i Szimon Suckewer de Princenton, per primera vegada, l'objectiu, i el físic Pierre Jeagle en la Universitat d'Orsay a França. S'han utilitzat làsers de raigs X amb longituds d'ona entre 43,2 i 200? gström.

Creació de raigs X

Existeixen dues maneres de produir raigs X. En la primera s'utilitzen col·lisions entre els electrons lliures i els ions plasmàtics. El xoc excita a l'ió i alguns dels seus electrons passen a una òrbita major. Després es “exciten”, però els electrons tornen a l'òrbita més baixa possible. D'aquesta forma s'alliberen fotons X de certa energia i direcció, és a dir, es forma un raig làser. En el laboratori Livermore tenen el làser Nova, el més alt del món. Denis Mathewsen utilitza dos raigs d'aquest làser, 20.000 milions de kilowatios. Als àtoms de Seleni el làser Nova els lleva 24 dels 34 electrons i els deixa amb 10 (perquè el neó també té 10 electrons es diu que són similars als neons). En el Limeil francès (Val-de-Marne) utilitzen el làser Phebus de la Comissió d'Energia Atòmica per a tocar els àtoms de seleni.

L'equip de Szimon Suckewer de Princenton, el laboratori Rutherford d'Anglaterra i l'equip de Pierre Jeagle d'Orsay de França, utilitzen un altre fenomen anomenat “recombinació”. Els electrons cauen als nuclis plasmàtics (els àtoms es recombinan) quan es refreden per xoc làser. D'aquesta manera, els nivells superiors de l'escala inicialment citada s'omplen abans que els inferiors, generant una inversió poblacional en la base del fenomen làser. Szimon Suckewer dirigeix el raig a l'àtom de carboni i el deixa amb un sol electró (igual que l'hidrogen). Pierre Jeagle treballa amb àtoms d'alumini i només li deixa tres electrons (com el liti). Aquesta és la via més econòmica, ja que els electrons que estan més units al nucli i que més costa l'extracció es dipositen en ell.

Segons Pierre Jeagle, si la tècnica de xoc en làsers de raigs X avança, serà molt cara i un instrument molt pesat. Però si el camí de la recombinació continua, els làsers de raigs X s'obtindran utilitzant molta menys potència, seran molt més barats i finalment podran ser utilitzats en qualsevol laboratori.

Longitud d'ona/m	freqüència/kHz
10 -13 – 10 – 12 – 10 – 11 – 10 – 10 – 10 – 9 – 10 – 8 – 10 – 7 – 10 – 6 – 10 – 5 – 10 – 4 – 10 – 3 – FD 10 -2 – FS10 – 1 – FEC 1 – 10 – FVHF 10 – HF 10 2 – FMI 10 3 – LF 10 – 10 – 10 LF	raigs gamma raigs X radiació ultraviolada llum visible radiació infraroja radiofreqüència microones	– 10 19 – 10 18 – 10 17 – 10 17 – 10 16 – 10 15 – 10 15 – 10 14 – 10 13 – 10 11 – 10 – 10 – 10 – 10 9 – 10 8 – 10 7 – 10 5 – 10 5 – 10 4 – 10 3 – 10 2 – 10 – 1

La següent taula mostra l'espectre de radiació electromagnètica. En la columna de l'esquerra s'indiquen les longituds d'ona de les radiacions i en la de la dreta les freqüències corresponents en els kilohercios. Com es veu clarament, els raigs X i els raigs gamma són les radiacions de menor longitud d'ona (per tant, de major freqüència).