Láser de raios X

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

• Teknologia
• Fisika

Si quérese ver un obxecto hai que iluminalo. Pero a luz, a luz visible, é una radiación electromagnética de determinadas lonxitudes de onda e non é visible ningún obxecto menor que esas lonxitudes de onda. Máis ou menos parecido ao que ocorre co lapis a un debuxante. Si quere debuxar una casa no papel, é obrigatorio que o tamaño da casa en papel sexa maior que a punta do lapis. Ningunha casa menor que o grosor da punta deste lapis pode debuxar sobre o papel con esta ferramenta.

Tipos de radiación

A lonxitude de onda da ^luz visible adoita roldar os 10-6 e os ^10-7 metros, é dicir, a milésima parte do milímetro. Por tanto, ningún obxecto menor que este tamaño pode verse con radiación de luz visible. Paira iso, os físicos utilizaron até agora láseres de radiación ultravioleta, xa que son de lonxitude de onda máis curta, pero cando se quere ver células de persoas e animais, as radiacións ultravioleta tamén teñen una lonxitude de onda demasiado grande. Con todo, por baixo da lonxitude de onda de 1,5x10 ^-7 m (ou 1.500 eltngström), existen importantes problemas de fabricación de láseres no campo dos raios X e dos raios gamma. Se todos son radiacións electromagnéticas (só teñen una lonxitude de onda diferente), por que hai esas barreiras?

Hai que recorrer á física atómica paira aclaralo. A luz está formada polos fotóns que emiten os átomos cando sufriron cambios enerxéticos. A chave está nos electróns que viran ao redor do núcleo. Cando o átomo atópase no seu estado enerxético fundamental, os electróns circulan tranquilos na súa órbita. Con todo, cando o átomo é excitado, os electróns reciben enerxía e canto maior é a enerxía recibida, maior é a órbita. Una vez finalizada a excitación do átomo, os electróns descenden a unha órbita de menor enerxía, emitindo fotóns. A lonxitude de onda da emisión depende das órbitas iniciais e finais dos electróns.

Basee láser

Na luz que emite o sol ou a vela, os fotóns esténdense a todas as direccións e a diferentes lonxitudes de onda. O mecanismo láser é basicamente o mesmo, pero a emisión de fotóns é unidireccional e dunha soa lonxitude de onda.

Paira entender mellor, imos facer una comparación. Pensamos que os electróns son balas e que as órbitas son chanzos dunha escaleira ruidosa. Os fotóns serán o ruído producido polas balas ao subir os chanzos, cada un deles cun ton determinado. Se as balas lánzanse ao azar polo rellano, sairá un son débil con moitas notas. Pero si lánzanse todas as balas á vez e a un nivel, escoitarase con forza a nota correspondente a ese nivel.

Iso é o que fai o láser. E é que os físicos aproveitan una tendencia dos electróns, xa que nalgunhas condicións tenden a ir a uns niveis de enerxía. O que hai que facer é crear estas condicións.

A través de una fonte externa de radiación, moitos átomos dun corpo (pode ser sólido, líquido ou gas) colocaranse no mesmo estado de excitación. Esta operación denomínase “bombeo óptico” e cando os átomos así excitados forman a maioría, os físicos din que houbo una “investimento poboacional”. Isto dá inicio ao efecto láser.

O fotón emitido por un átomo da poboación excitado ten grandes posibilidades de chocar con outro átomo excitado. Esta última se “descita” emitindo a enerxía do atacante e o fotón da mesma dirección. Este fotón fai o mesmo que o anterior. Por tanto, un conxunto de reaccións amplificará inmediatamente a radiación producida. O mecanismo que alcanza una gran intensidade é a cavidade óptica. Dispón de dous espellos paralelos paira enviar fotóns ao lugar onde se produce o efecto láser. Deste xeito, a radiación se amplifica en cada avance dos fotóns e escápase por unha pequena ranura situada nun dos espellos.

Este fluxo de fotóns difire notablemente do fluxo emitido polo fío da lámpada eléctrica incandescente. Na lámpada a luz sobresae en todas as direccións e paira una determinada cantidade de enerxía a intensidade é menor a medida que o filamento vaise espesando. Pola contra, o fluxo láser diríxese cara ao interior dun cono moi estreito, e ademais, canto máis longo sexa o corpo no que se xera o láser (ou máis retroceso dos fotóns), maior é a intensidade. Os fotóns son do mesmo nivel de enerxía (ou lonxitude de onda).

Dificultades de raios X

Este esquema xeral do láser realízase facilmente en luz visible ou radiación ultravioleta, pero até o momento foi imposible realizar un láser de raios X. Uno dos motivos foi a ausencia de espellos capaces de reflectir os raios X, pero tamén é un obstáculo máis grave. Una lei física indica que canto menor é a lonxitude de onda da radiación, maior é a emisión propia. Por exemplo, se a lonxitude de onda é dez veces menor, a emisión propia é mil veces maior. Por iso, a radiación excitada mergúllase en numerosos fotóns emitidos de forma natural e o láser de raios X non pode separarse desta radiación mesturada. Por tanto, non hai solución paira o láser de raios X?

Volvemos á base do láser anteriormente mencionado. Nós temos que xerar una “investimento de poboación” especial e os átomos moi excitados teñen que baixar dun nivel de enerxía determinado a outro para que emitan raios X. Demostrouse que teoricamente é posible a mediados da década dos 70, pero na práctica só se conseguiu a medias, xa que a vida dos niveis de excitación necesarios é moi curta (equivalente ao billón de segundo ou ao ^{picosegundos, 10 -12} s aproximadamente). Na luz visible, pola contra, a vida dos niveis de excitación sitúase ao redor do corenta nanosegundos (10 ^-9 segundos), aumentando o tempo a medida que aumenta a lonxitude de onda da radiación.

Os físicos teñen grandes problemas paira conseguir excitacións a nivel de raios X nos átomos. Se se aproveitasen do bombeo óptico, a fonte de luz se evaporaría ou volvería porque a fonte utilizada debería ser moi potente.

A solución pode ser utilizar plasma. Cando o material está en estado de plasma, os seus átomos están tan excitados que perden parte (ou a totalidade) da nube electrónica. Estes plasmas, cando están moi quentes, é dicir, moi excitados, emiten en realidade radiación de raios X. Ademais, os átomos quéntanse e arrefrían moi rapidamente e no plasma abundan os remolinos, as presións e as depresións. En consecuencia, os investimentos poboacionais poderían xerarse de forma espontánea.

No entanto, nos últimos anos nalgúns laboratorios realizáronse algunhas sesións de láser de raios X. En Norteamérica, os laboratorios Livermore foron Denis Matthews e Szimon Suckewer de Princenton, por primeira vez, o obxectivo, e o físico Pierre Jeagle na Universidade de Orsay en Francia. Utilizáronse láseres de raios X con lonxitudes de onda entre 43,2 e 200? gström.

Creación de raios X

Existen dúas formas de producir raios X. Na primeira utilízanse colisións entre os electróns libres e os iones plasmáticos. O choque excita ao ion e algúns dos seus electróns pasan a unha órbita maior. Logo excítanse”, pero os electróns volven á órbita máis baixa posible. Desta forma libéranse fotóns X de certa enerxía e dirección, é dicir, fórmase un raio láser. No laboratorio Livermore teñen o láser Nova, o máis alto do mundo. Denis Mathewsen utiliza dous raios deste láser, 20.000 millóns de quilowatts. Aos átomos de Selenio o láser Nova quítalles 24 dos 34 electróns e déixaos con 10 (porque o neón tamén ten 10 electróns dise que son similares aos neones). No Limeil francés (Val-de-Marne) utilizan o láser Phebus da Comisión de Enerxía Atómica paira tocar os átomos de selenio.

O equipo de Szimon Suckewer de Princenton, o laboratorio Rutherford de Inglaterra e o equipo de Pierre Jeagle de Orsay de Francia, utilizan outro fenómeno chamado “recombinación”. Os electróns caen aos núcleos plasmáticos (os átomos se recombinan) cando se arrefrían por choque láser. Deste xeito, os niveis superiores da escaleira inicialmente citada énchense antes que os inferiores, xerando una investimento poboacional na base do fenómeno láser. Szimon Suckewer dirixe o raio ao átomo de carbono e déixao cun só electrón (igual que o hidróxeno). Pierre Jeagle traballa con átomos de aluminio e só lle deixa tres electróns (como o litio). Esta é a vía máis económica, xa que os electróns que están máis unidos ao núcleo e que máis custa a extracción deposítanse nel.

Segundo Pierre Jeagle, se a técnica de choque en láseres de raios X avanza, será moi cara e un instrumento moi pesado. Pero se o camiño da recombinación continúa, os láseres de raios X obteranse utilizando moita menos potencia, serán moito máis baratos e finalmente poderán ser utilizados en calquera laboratorio.

Lonxitude 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	raios gamma raios X radiación ultravioleta luz visible radiación infravermella 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

A seguinte táboa mostra o espectro de radiación electromagnética. Na columna da esquerda indícanse as lonxitudes de onda das radiacións e na da dereita as frecuencias correspondentes nos kilohercios. Como se ve claramente, os raios X e os raios gamma son as radiacións de menor lonxitude de onda (por tanto, de maior frecuencia).