Láser de rayos X

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

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Si se quiere ver un objeto hay que iluminarlo. Pero la luz, la luz visible, es una radiación electromagnética de determinadas longitudes de onda y no es visible ningún objeto menor que esas longitudes de onda. Más o menos parecido a lo que ocurre con el lápiz a un dibujante. Si quiere dibujar una casa en el papel, es obligatorio que el tamaño de la casa en papel sea mayor que la punta del lápiz. Ninguna casa menor que el grosor de la punta de este lápiz puede dibujar sobre el papel con esta herramienta.

Tipos de radiación

La longitud de onda de la ^luz visible suele rondar los 10-6 y los ^10-7 metros, es decir, la milésima parte del milímetro. Por tanto, ningún objeto menor que este tamaño puede verse con radiación de luz visible. Para ello, los físicos han utilizado hasta ahora láseres de radiación ultravioleta, ya que son de longitud de onda más corta, pero cuando se quiere ver células de personas y animales, las radiaciones ultravioleta también tienen una longitud de onda demasiado grande. Sin embargo, por debajo de la longitud de onda de 1,5x10 ^-7 m (o 1.500 eltngström), existen importantes problemas de fabricación de láseres en el campo de los rayos X y de los rayos gamma. Si todos son radiaciones electromagnéticas (sólo tienen una longitud de onda diferente), ¿por qué hay esas barreras?

Hay que recurrir a la física atómica para aclararlo. La luz está formada por los fotones que emiten los átomos cuando han sufrido cambios energéticos. La llave está en los electrones que giran alrededor del núcleo. Cuando el átomo se encuentra en su estado energético fundamental, los electrones circulan tranquilos en su órbita. Sin embargo, cuando el átomo es excitado, los electrones reciben energía y cuanto mayor es la energía recibida, mayor es la órbita. Una vez finalizada la excitación del átomo, los electrones descienden a una órbita de menor energía, emitiendo fotones. La longitud de onda de la emisión depende de las órbitas iniciales y finales de los electrones.

Base láser

En la luz que emite el sol o la vela, los fotones se extienden a todas las direcciones y a diferentes longitudes de onda. El mecanismo láser es básicamente el mismo, pero la emisión de fotones es unidireccional y de una sola longitud de onda.

Para entender mejor, vamos a hacer una comparación. Pensamos que los electrones son balas y que las órbitas son escalones de una escalera ruidosa. Los fotones serán el ruido producido por las balas al subir los escalones, cada uno de ellos con un tono determinado. Si las balas se lanzan al azar por el rellano, saldrá un sonido débil con muchas notas. Pero si se lanzan todas las balas a la vez y a un nivel, se escuchará con fuerza la nota correspondiente a ese nivel.

Eso es lo que hace el láser. Y es que los físicos aprovechan una tendencia de los electrones, ya que en algunas condiciones tienden a ir a unos niveles de energía. Lo que hay que hacer es crear estas condiciones.

A través de una fuente externa de radiación, muchos átomos de un cuerpo (puede ser sólido, líquido o gas) se colocarán en el mismo estado de excitación. Esta operación se denomina “bombeo óptico” y cuando los átomos así excitados forman la mayoría, los físicos dicen que ha habido una “inversión poblacional”. Esto da inicio al efecto láser.

El fotón emitido por un átomo de la población excitado tiene grandes posibilidades de chocar con otro átomo excitado. Esta última se “descita” emitiendo la energía del atacante y el fotón de la misma dirección. Este fotón hace lo mismo que el anterior. Por tanto, un conjunto de reacciones amplificará inmediatamente la radiación producida. El mecanismo que alcanza una gran intensidad es la cavidad óptica. Dispone de dos espejos paralelos para enviar fotones al lugar donde se produce el efecto láser. De este modo, la radiación se amplifica en cada avance de los fotones y se escapa por una pequeña ranura situada en uno de los espejos.

Este flujo de fotones difiere notablemente del flujo emitido por el hilo de la lámpara eléctrica incandescente. En la lámpara la luz sobresale en todas las direcciones y para una determinada cantidad de energía la intensidad es menor a medida que el filamento se va espesando. Por el contrario, el flujo láser se dirige hacia el interior de un cono muy estrecho, y además, cuanto más largo sea el cuerpo en el que se genera el láser (o más retroceso de los fotones), mayor es la intensidad. Los fotones son del mismo nivel de energía (o longitud de onda).

Dificultades de rayos X

Este esquema general del láser se realiza fácilmente en luz visible o radiación ultravioleta, pero hasta el momento ha sido imposible realizar un láser de rayos X. Uno de los motivos ha sido la ausencia de espejos capaces de reflejar los rayos X, pero también es un obstáculo más grave. Una ley física indica que cuanto menor es la longitud de onda de la radiación, mayor es la emisión propia. Por ejemplo, si la longitud de onda es diez veces menor, la emisión propia es mil veces mayor. Por ello, la radiación excitada se sumerge en numerosos fotones emitidos de forma natural y el láser de rayos X no puede separarse de esta radiación mezclada. Por lo tanto, ¿no hay solución para el láser de rayos X?

Volvemos a la base del láser anteriormente mencionado. Nosotros tenemos que generar una “inversión de población” especial y los átomos muy excitados tienen que bajar de un nivel de energía determinado a otro para que emitan rayos X. Se demostró que teóricamente es posible a mediados de la década de los 70, pero en la práctica sólo se ha conseguido a medias, ya que la vida de los niveles de excitación necesarios es muy corta (equivalente al billón de segundo o al ^{picosegundos, 10 -12} s aproximadamente). En la luz visible, por el contrario, la vida de los niveles de excitación se sitúa en torno a los cuarenta nanosegundos (10 ^-9 segundos), aumentando el tiempo a medida que aumenta la longitud de onda de la radiación.

Los físicos tienen grandes problemas para conseguir excitaciones a nivel de rayos X en los átomos. Si se aprovecharan del bombeo óptico, la fuente de luz se evaporaría o volvería porque la fuente utilizada debería ser muy potente.

La solución puede ser utilizar plasma. Cuando el material está en estado de plasma, sus átomos están tan excitados que pierden parte (o la totalidad) de la nube electrónica. Estos plasmas, cuando están muy calientes, es decir, muy excitados, emiten en realidad radiación de rayos X. Además, los átomos se calientan y enfrían muy rápidamente y en el plasma abundan los remolinos, las presiones y las depresiones. En consecuencia, las inversiones poblacionales podrían generarse de forma espontánea.

No obstante, en los últimos años en algunos laboratorios se han realizado algunas sesiones de láser de rayos X. En Norteamérica, los laboratorios Livermore fueron Denis Matthews y Szimon Suckewer de Princenton, por primera vez, el objetivo, y el físico Pierre Jeagle en la Universidad de Orsay en Francia. Se han utilizado láseres de rayos X con longitudes de onda entre 43,2 y 200? gström.

Creación de rayos X

Existen dos formas de producir rayos X. En la primera se utilizan colisiones entre los electrones libres y los iones plasmáticos. El choque excita al ion y algunos de sus electrones pasan a una órbita mayor. Luego se “excitan”, pero los electrones vuelven a la órbita más baja posible. De esta forma se liberan fotones X de cierta energía y dirección, es decir, se forma un rayo láser. En el laboratorio Livermore tienen el láser Nova, el más alto del mundo. Denis Mathewsen utiliza dos rayos de este láser, 20.000 millones de kilowatios. A los átomos de Selenio el láser Nova les quita 24 de los 34 electrones y los deja con 10 (porque el neón también tiene 10 electrones se dice que son similares a los neones). En el Limeil francés (Val-de-Marne) utilizan el láser Phebus de la Comisión de Energía Atómica para tocar los átomos de selenio.

El equipo de Szimon Suckewer de Princenton, el laboratorio Rutherford de Inglaterra y el equipo de Pierre Jeagle de Orsay de Francia, utilizan otro fenómeno llamado “recombinación”. Los electrones caen a los núcleos plasmáticos (los átomos se recombinan) cuando se enfrían por choque láser. De este modo, los niveles superiores de la escalera inicialmente citada se llenan antes que los inferiores, generando una inversión poblacional en la base del fenómeno láser. Szimon Suckewer dirige el rayo al átomo de carbono y lo deja con un solo electrón (igual que el hidrógeno). Pierre Jeagle trabaja con átomos de aluminio y sólo le deja tres electrones (como el litio). Esta es la vía más económica, ya que los electrones que están más unidos al núcleo y que más cuesta la extracción se depositan en él.

Según Pierre Jeagle, si la técnica de choque en láseres de rayos X avanza, será muy cara y un instrumento muy pesado. Pero si el camino de la recombinación continúa, los láseres de rayos X se obtendrán utilizando mucha menos potencia, serán mucho más baratos y finalmente podrán ser utilizados en cualquier laboratorio.

Longitud de onda/m	frecuencia/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	rayos gamma rayos X radiación ultravioleta luz visible radiación infrarroja radiofrecuencia microondas	– 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 siguiente tabla muestra el espectro de radiación electromagnética. En la columna de la izquierda se indican las longitudes de onda de las radiaciones y en la de la derecha las frecuencias correspondientes en los kilohercios. Como se ve claramente, los rayos X y los rayos gamma son las radiaciones de menor longitud de onda (por lo tanto, de mayor frecuencia).