Radiación electromagnética (EM) es increíblemente útil. Nos permite transmitir música de forma inalámbrica a grandes distancias, cocinar alimentos en el microondas y ver el mundo con gran detalle. Sin embargo, ahora más que nunca, la radiación electromagnética también es crucial para estudiar los fenómenos físicos, ambientales y biológicos que están conduciendo a verdaderos avances para las personas.
Desde la creación de nuevos medicamentos y vacunas, a la prueba de revolucionario órganos artificiales, A los descubrimientos que permiten prevenir enfermedades, el aprovechamiento de la radiación EM a gran escala está expandiendo los horizontes en el mundo científico.
En el Reino Unido, esa revolución está ocurriendo en el Fuente de luz de diamante instalación nacional de sincrotrón en Oxfordshire, un acelerador de partículas de alta tecnología que genera grandes cantidades de radiación EM en forma de luz de sincrotrón. Hagamos un viaje a este sitio científico de vanguardia para ver cómo es trabajar allí en un día promedio y qué experimentos innovadores se están investigando actualmente.
Explorando el sincrotrón
Un sincrotrón es un sistema grande y complejo de máquinas que genera electrones, acelera esos electrones hasta casi la velocidad de la luz y luego los deposita en un gran anillo de almacenamiento. Luego, los electrones de alta energía vuelan alrededor del circuito del anillo continuamente hasta que se manipulan para generar una intensidad muy alta. radiografía luz; estos son electrones con alrededor de 3 gigaelectronvoltios (GeV), siendo un GeV una unidad de energía equivalente a mil millones de electronvoltios. Esta es la luz que los científicos pueden utilizar en sus experimentos.
Cómo funciona
Este artículo es presentado por How It Works.
How It Works es la revista repleta de acción que está repleta de información interesante sobre los últimos avances en ciencia y tecnología, con todo lo que necesita saber sobre cómo funciona el mundo que lo rodea y el universo.
Guenther Rehm es el jefe del grupo de diagnóstico de líneas de luz del sincrotrón Diamond, que es responsable de garantizar que cuando los científicos visitantes necesiten luz de rayos X, puedan obtenerla. La oficina de Rehm en Diamond House es un elegante complejo con paredes de vidrio donde se encuentra la mayoría del personal de la instalación. Para llegar a la instalación del sincrotrón, debe cruzar un puente controlado por seguridad.
Una vez allí, verá cuatro partes principales, la primera de las cuales es un cañón de electrones. Situada en el corazón de la instalación, esta pistola es responsable de generar electrones calentando un cátodo de alto voltaje en el vacío, luego obligándolos a agruparse y comprimirse en grupos compactos; esto se logra pasando el haz de electrones a través de una cavidad donde está activo un campo eléctrico alterno.
Desde la cavidad de agrupamiento, un haz de grupos comprimidos de electrones pasa a un acelerador lineal. Esta parte del sincrotrón utiliza una serie de campos eléctricos para forzar a los grupos de electrones comprimidos a acelerar hasta acercarse a la velocidad de la luz y hasta un nivel de carga de 100 megaelectronvoltios (MeV). Desde aquí, los racimos de electrones acelerados se inyectan en el sincrotrón de refuerzo.
El sincrotrón de refuerzo se encuentra justo al lado del acelerador lineal. Es una aspiradora de tubo de acero inoxidable en forma de O de 518 pies (158 metros) rodeada de imanes que se encuentra dentro del anillo de almacenamiento del sincrotrón y otras instalaciones. Este sincrotrón más pequeño recibe los electrones y luego, con la ayuda de 36 imanes dipolos, los dobla alrededor del circuito de vacío mientras se aceleran aún más hasta la energía de extracción necesaria de 3 GeV. Viajando casi a la velocidad de la luz y llevando una cantidad increíble de energía, los grupos de electrones se inyectan finalmente en el anillo de almacenamiento del sincrotrón.
El anillo de almacenamiento es similar tanto en construcción como en propósito al anillo de refuerzo, pero en una escala mucho mayor: el anillo, que es un polígono de 48 lados, se extiende por más de 1,800 pies (560 m). Afortunadamente, los electrones tienen tanta energía que pueden recorrer todo el curso en 2 millonésimas de segundo; en comparación, eso es 7.5 veces alrededor del ecuador de la Tierra en solo 1 segundo. Para mantener las cosas en movimiento, el anillo gigante consiste en un vacío en el que viajan los electrones cargados y una serie de imanes, incluidos imanes de flexión de dipolos para maniobrar el haz alrededor del circuito, imanes de cuadrupolo e imanes de sextupolo para asegurar un enfoque y posición precisos del haz . El anillo también contiene imanes especiales llamados dispositivos de inserción (ID) para manipular los electrones para la producción de luz de sincrotrón.
Las ID son las verdaderas estrellas del sincrotrón, capaces de hacer que los electrones que pasan oscilen a través de las secciones rectas del anillo. Como resultado, se producen rayos X superpoderosos. Debido a que estas identificaciones son tan críticas, siempre se colocan por delante de cualquier línea de luz: ramificaciones del anillo donde se llevan a cabo los experimentos. Los electrones entran en el dispositivo, oscilan y crean rayos X. Mientras que los electrones son arrojados más abajo por el anillo de almacenamiento por imanes dipolo, los fotones continúan directamente por la línea de luz para su uso en experimentos.
Manteniendo el control
A continuación, llegaría al control central de la línea de luz. Una sala grande y espaciosa con vista a aproximadamente un tercio de las instalaciones en expansión, el área está llena de un banco principal de monitores; allí, dos miembros del equipo de diagnóstico ejecutan los sistemas informáticos. Rehm explicó que la operación diaria del sincrotrón está muy automatizada, de ahí la mínima dotación de personal. Sin embargo, debido a la increíble complejidad de los sistemas involucrados en la creación y el mantenimiento de haces de electrones de alta energía, los humanos reales deben monitorear el estado del complejo.
En todo momento, un programa de software llamado EPICS: Experimental Physics and Industrial Control System monitorea el haz en el anillo de almacenamiento. Esto permite visualizar las propiedades del rayo invisible a través de una variedad de sensores, monitores y cámaras dentro del anillo.
Rehm demostró que en un período de poco más de 10 minutos, los electrones agrupados en el anillo de almacenamiento sufren una pérdida inevitable. Esto se debe a colisiones y moléculas de gas residual, así como a la pérdida de energía a través de la generación de luz de sincrotrón por los dispositivos de inserción y la flexión por el dipolo. imanes. Para mantener una estabilidad óptima del haz y una calidad de luz de sincrotrón, la carga se incrementa automáticamente de forma periódica. Al ver un gráfico en vivo en EPICS, podría ver cómo el nivel de carga general cae dentro del anillo y luego, precisamente después de 10 minutos, regresa a su nivel inicial.
Este impulso no solo es automático, sino que el sistema puede apuntar a las partes del haz de las que se han perdido los electrones; esto permite una distribución uniforme y estable de energía alrededor del anillo para la generación de luz en todo momento, dijo Rehm. Este sistema es realmente sorprendente, capaz de inyectar electrones adicionales en los grupos de electrones agotados sin problemas mientras vuelan alrededor del anillo de almacenamiento a casi velocidad de la luz.
Mirando hacia abajo de la línea de luz
Moviéndose al corazón de la instalación, entraría en la cavernosa sala principal del sincrotrón. Al pararse en un puente de pórtico elevado, que se extiende hacia ambos lados, verá las extensiones curvas y muchas de las líneas de luz individuales del sincrotrón, ramificándose desde un anillo de hormigón. Este es el anillo de almacenamiento de la instalación, que está revestido con un grueso blindaje de hormigón que bloquea la radiación. En la parte superior del anillo de hormigón hay una línea amarilla que identifica la trayectoria real del haz de electrones en el interior. Según un guía turístico de la instalación, una persona podría permanecer tumbada sobre el hormigón durante todo un año y recibir un aumento de radiación de solo aproximadamente un 50% con respecto a la radiación de fondo estándar. En pocas palabras, muy poca radiación escapa del anillo.
Intercalada entre dos líneas de luz hay una pequeña habitación negra. Al entrar, encontraría una gran mesa repleta de máquinas, tuberías, ópticas y cableado. Detrás de esto, se corta un pequeño agujero en la pared. Esta es la cabina de diagnóstico óptico y permite a los científicos de apoyo explorar la estructura temporal del haz de electrones almacenado, revelando su patrón de llenado: cuánta carga hay en cada uno de los grupos de electrones.
Manejando la luz
Saber cómo funciona el sincrotrón es una cosa, pero ¿qué puede hacer en el mundo real? Ingrese Nick Terrill, el científico principal de líneas de luz para la línea de luz de dispersión y difracción de ángulo pequeño (también llamada I22). Entre muchos otros ejemplos, Terrill describe cómo un equipo utilizó recientemente I22 para probar nuevas válvulas cardíacas artificiales de material polimérico. El equipo construyó un dispositivo diminuto para estirar la válvula y reproducir los efectos de un latido del corazón y luego utilizó la fuente de luz de rayos X de alta energía del sincrotrón para obtener imágenes de la estructura interna de la válvula de polímero en resolución continua durante un período prolongado. Este tipo de polímero Las válvulas pronto serán un reemplazo común para las válvulas de implantes mecánicas y animales problemáticas.
Después de un corto paseo por la pasarela exterior del sincrotrón hasta la línea de luz I24, se encontrará con la estación de cristalografía macromolecular de microfoco. I24 está integrado por el científico de apoyo senior de Diamond, Danny Axford, quien explicó cómo el equipo está trabajando en las proteínas de membrana, explorando sus estructuras, algo que es importante en la creación de nuevos medicamentos, entre otras aplicaciones.
Dentro de la sala de experimentos de I24, vería tanques de almacenamiento de nitrógeno líquido, sensor de imágenes, brazo robótico, óptica de enfoque de luz sincrotrón y una matriz de muestras. Con la matriz, los científicos pueden obtener imágenes de filas de cristales a temperatura ambiente. Esto es increíblemente útil, ya que el calor del proceso de obtención de imágenes daña los cristales, por lo que capturar su estructura rápidamente es crucial, de ahí que muchas muestras se enfríen criogénicamente.
El siguiente puerto de escala es la línea de luz de difracción monocristalina de moléculas pequeñas (I19), donde se analizan una variedad de muestras cristalizadas mediante técnicas de difracción, con muestras para proyectos que involucran todo, desde cáncer a hidrógeno almacenamiento. Al lado en I20 hay una línea de luz de espectroscopia de absorción de rayos X versátil e impresionante, dirigida por la científica principal de líneas de luz Sofia Díaz-Moreno.
Esta línea de luz, que es mucho más grande que cualquiera de las otras, tiene dos compartimentos experimentales que comparten la línea para permitir diferentes tipos de análisis espectroscópico. Este tipo de análisis puede generar imágenes de los componentes químicos en los catalizadores, incluso en concentraciones muy bajas. Esta capacidad para visualizar procesos de reacción a nivel atómico y en escalas de tiempo de microsegundos es realmente alucinante y permite a los científicos comprender cosas como catalizadores, metaloproteínas (proteínas que contienen iones metálicos) y materiales tóxicos como nunca antes.
Corriendo el rayo de electrones
Hay una última parada: un paseo por el techo del anillo de almacenamiento. Ascendiendo de nuevo al primer piso desde el nivel de la línea de luz y cruzando el pórtico de metal hacia el centro de la instalación, se rompería y pisaría directamente sobre el techo de concreto del anillo de almacenamiento antes de seguir el marcador amarillo de la línea de luz alrededor de la instalación.
Se necesitarían casi 10 minutos para hacer un circuito completo alrededor del anillo, mucho más lento que las dos millonésimas de segundo necesarias para que los electrones hipercargados zumben alrededor del anillo.