Hoy se inaugura uno de los equipamientos científicos más importantes de España: el sincrotrón ALBA (info de periodistas “serios” aquí, aqui, aquí, aquí, aquí y finalmente aquí también). Para los poco duchos en la materia, basta decir que es un acelerador de partículas, no tan bestia como el CERN, pero aun así sus características son impresionantes para el modesto presupuesto dedicado a la ciencia en este nuestro hispano país.. A continuación, os ilustraré,de un modo sencillo y para todos los públicos, sobre los aceleradores de partículas, particularmente sobre los sincrotrones y finalizaré dando detalles sobre el ALBA, espero que nos durmáis por el camino ;)

Introducción

El estudio de las partículas elementales que constituyen el núcleo atómico se basó inicialmente en el uso de rayos cósmicos, que son radiaciones de alta frecuencia. Sin embargo, los trabajos que desde 1927 desarrolló el físico estadounidense Ernest Orland Lawrence (por los que recibiría el Premio Nobel) dieron lugar a que este trascendental campo de la ciencia pasara a fundamentarse en el empleo de máquinas que aceleraban las partículas.

Un acelerador de partículas es un instrumento que induce sobre los componentes del núcleo atómico incrementos de velocidad de gran magnitud y, en consecuencia, aumentos de energía. Además de su extraordinario interés desde el punto de vista de la investigación física, los diferentes tipos de aceleradores ofrecen múltiples posibilidades de aplicación. Destacan entre ellas la producción de isótopos radiactivos, el tratamiento de las enfermedades cancerosas, la esterilización de sustancias biológicas, la radiografía industrial o la polimerización de plásticos.

En materia de protección medioambiental, los aceleradores jugarán también un papel importante. Gracias a ellos podremos dividir los residuos nucleares de larga duración y transformarlos en material inocuo. La técnica, desarrollada en el laboratorio norteamericano de Los Álamos, fue bautizada como Acelerador de Transmutación de Residuos (en inglés ATW). Cuando los haces de alta intensidad bombardean un objetivo, producen neutrones, los cuales se combinan luego con los residuos radiactivos haciendo que estos se dividan en elementos estables.

Quizás el desarrollo reciente más significativo en cuanto a las aplicaciones de los aceleradores sea el de la generación de energía, donde en la actualidad se persigue activamente este fin desde tres enfoques distintos.

Uno utiliza los haces de partículas para comprimir núcleos atómicos tan apretada-mente que llegan a fusionarse a la vez, emitiendo energía. Otro método emplea un acelerador para producir muones, los cuales son inyectados en un tanque que contiene el combustible a fusionar. Algunos de estos muones ocupan el lugar de los electrones en las órbitas atómicas, y como son 200 veces más pesados que estos, obligan a los núcleos a fusionarse. Hasta el momento, ambas técnicas consumen más energía de la que producen, pero cada vez se está más cerca de alcanzar el equilibrio.

La idea más reciente, llamada Amplificador de Energía, fue inventada por el premio Nóbel Carlo Rubbia, que trabaja en el CERN. El Amplificador de Energía bombardeará su objetivo (consistente en combustible nuclear) con un haz de protones de alta intensidad, provocando fisión nuclear y la liberación de energía.

Este método brinda dos grandes ventajas. La primera, al contrario que en las centrales nucleares convencionales, es imposible que se dé una reacción en cadena, ya que sin el acelerador la reacción se detiene. Segunda, ya que la técnica es similar a la ATW, los residuos generados por las centrales nucleares de hoy en día, podrían mezclarse con el combustible nuclear, para ir dividiéndolos en sustancias inocuas.

Fundamentos y unidades

Las partículas que se someten a la acción de los aceleradores suelen ser los integrantes nucleares de los átomos de bajo peso atómico (protones de hidrógeno o partículas alfa de helio), aunque no es infrecuente la utilización de electrones o de elementos nucleares de átomos más pesados.

En cualquier caso, la condición indispensable para que un componente atómico pueda ser acelerado es que esté cargado. De ello se deduce que las fuerzas que intervienen en el proceso de aceleración son de naturaleza electromagnética.

Es posible generar partículas cargadas (las únicas que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes en los aceleradores) de diversas modos. La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Calentando un fila-mento hasta su incandescencia a la vez que se hace pasar por él una corriente eléctrica, aunque también se puede hacer enfocando un láser en él. Al incrementar la temperatura también aumenta la probabilidad de que un electrón de la corteza atómica la abandone momentáneamente. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón (cargado negativamente) regresaría al poco tiempo al átomo ionizado (positivamente) al atraerse las cargas opuestas. Sin embargo, si colocamos cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón.

Si en esa placa efectuamos un pequeño agujero, y tras él un conducto al que se le haya extraído el aire, conseguiremos extraer electrones. Sin embargo, si no existe ese agujero el electrón impactará contra la placa generando rayos X.

Además de electrones también es posible generar protones, sin embargo, para ello es necesario ionizar átomos de hidrógeno. Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidrógeno. Si en esa válvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendrán por un lado electrones acelerados y por el opuesto, protones acelerados. Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE en el Laboratorio Nacional Los Álamos (Estados Unidos).

Los positrones se generan de forma similar, solo que necesitaremos hacer incidir fo-tones de energías superiores a los 1.1 MeV sobre un blanco (de oro, tungsteno o cualquier otro material pesado). Esa energía es la mínima necesaria para crear un par electrón-positrón. La eficiencia de esta generación es muy pequeña, con lo que en los colisionadores electrón-positrón se gasta gran parte de la energía consumida en este proceso.

Actualmente existe también interés en generar neutrones para utilizarlos en máqui-nas transmutadoras. Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito, que impactan sobre blancos cuya sección eficaz o probabilidad de generación de neutrones sea alta. Al no poder acelerar más los neutrones (como se dijo, solo las partículas cargadas pueden acelerarse), su velocidad (o energía) final dependerá exclusivamente de la energía inicial del protón.

La unidad en la que se expresa la energía suministrada por los aceleradores de partículas es el electrón voltio, eV, definido como la cantidad de energía adquirida por una partícula dotada de una unidad de carga eléctrica al ser sometida a una diferencia de potencial de un voltio. No obstante, las grandes magnitudes que se alcanzan en el desarrollo del proceso favorecen la utilización de múltiplos como el megaelectrón voltio, MeV, equivalente a un millón de electrones voltio, y el gigaelectrón voltio, GeV, cuya relación con la unidad fundamental es de uno a mil millones.

Las fuerzas electromagnéticas resultan de las interacciones mutuas entre partículas cargadas. En la teoría de aceleradores, las partículas se separan en dos grupos: (1) partículas en el haz y (2) partículas cargadas que se distribuyen sobre o en los materiales adyacentes. Este último grupo se denomina carga externa. La energía se requiere para crear distribuciones de la carga externa; esta energía se transfiere a las partículas del haz vía fuerzas electromagnéticas. Por ejemplo, un fuente de alimentación puede generar un diferencia de potencial entre placas metálicas por sustracción de una carga negativa de una de las placas y moviéndola a la otra. Un haz de partículas que se mueva entre dichas placas se acelera por atracción hacia la carga de una placa y repulsión de la carga de la otra.

Las fuerzas electromagnéticas se dividen en componentes eléctrica y magnética. Las fuerzas magnéticas están presentes solo cuando las cargas están en movimiento relativo. Las fuerzas eléctricas aplicadas están divididas entre aquellas alineadas con la dirección del haz y aquellas que actúan transversalmente. Las fuerzas axiales son fuerzas de aceleración; incrementan o disminuyen la energía del haz. Las fuerzas transversales son fuerzas de confinamiento. Mantienen el haz confinado a un área de sección transversal específica o dirigen al haz en la dirección deseada. Las fuerzas magnéticas son siempre perpendiculares a la velocidad de la partícula; por tanto, los campos magnéticos no pueden afectar a la energía cinética de las partículas. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de confinamiento. Las fuerzas eléctricas pueden funcionar de ambos modos.

La distribución y movimiento de la carga externa determina los campos, y los cam-pos determinan la fuerza en una partícula vía la Ley de fuerzas de Lorentz. Un conocimiento adecuado de la misma permite estimar los parámetros medios del haz tales como el radio, dirección, energía y corriente.

Clasificación

Esencialmente, los aceleradores de partículas se diferencian, según su estructura, en lineales y cíclicos. No obstante, dentro de estos dos grandes grupos quedan englobados numerosos modelos diversificados por la potencia energética que alcanzan y por la aplicación a la que se destinan.

Los aceleradores lineales, también conocidos como linacs, actúan sobre electrones, protones o iones pesados a lo largo de una trayectoria recta mediante el aporte de tensiones alternadas, resultando la energía global de la suma de los voltajes que intervienen en el proceso. Su funcionamiento se basa en la aplicación de un campo electromagnético longitudinal móvil o bien de ondas electromagnéticas estacionarias que actúan sobre los haces de partículas.

Los aceleradores cíclicos, por su parte, mantienen una estructura mediante la cual las partículas quedan sometidas a la acción de un campo magnético en el interior de un dispositivo circular o espiral. La energía obtenida es proporcional al voltaje suministrado y al número de giros que cumplen los haces de partículas. De este grupo forman parte los ciclotrones, dispositivos que constan de un campo alterno a frecuencia constante, dispuesto en perpendicular y sincronizado con el movimiento de las partículas en espiral, y los sincrotrones, en los que se aplica un campo magnético sobre una estructura circular, de tal modo que el radio de las órbitas que trazan las partículas sea constante.

Los diferentes tipos de aceleradores permiten el bombardeo de materia con partículas de alta energía (que puede llegar a ser del orden de 400 GeV), lo que constituye un in-apreciable medio de conocimiento de la estructura de la materia. Ello es debido a que las magnitudes que pueden estudiarse son directamente proporcionales a las longitudes de onda de las partículas aceleradas y éstas, a su vez, se hallan en razón inversa de las energías que se obtienen en los aceleradores.

Todos los aceleradores antes mencionados se consideran aceleradores de alta energía. Más adelante ampliaremos en profundidad los conceptos de acelerador lineal y cíclico, y particularmente el sincrotrón.

Al contrario de la creencia popular, los aceleradores de partículas no son aparatos exclusivos de laboratorios sofisticados, sino que también se encuentran muy presentes en la vida cotidiana de las personas, en forma de aceleradores de bajas energías. Ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los televisores o monitores de ordenador (los modelos antiguos que utilizan tubos de rayos catódicos, los cuales pueden considerarse aceleradores lineales de una sola etapa) o los aparatos de rayos X que pueden encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales. Estos aceleradores de bajas energías utilizan un único par de electrodos a los que se les aplica una diferencia de potencial, directamente, de algunos miles de voltios. En un aparato de rayos X se calienta un filamento metálico que se encuentra entre ambos electrodos mediante el paso de una corriente eléctrica, emitiendo de este modo electrones. Esos electrones son acelerados en el campo eléctrico generado entre ambos electrodos hasta alcanzar el electrodo que se utiliza como productor de rayos X, fabricado con un metal de alto Z (por ejemplo el tungsteno). También se utilizan aceleradores de partículas de bajas energías, llamados implantadores de iones, para la fabricación de circuitos integrados.

Aceleradores lineales

Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

Una parte de un acelerador lineal

En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversión de los campos eléctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas, y por eso, en muy altas energías, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partículas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje, o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estática transportada mediante cintas.

Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las partículas en los aceleradores circulares. El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Estos aceleradores utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.

Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.

Aceleradores circulares

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo, poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiación, a veces llamada luz sincrotrón. Esta radiación se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energía, principalmente en estudios de materiales o de proteínas por espectroscopia de rayos X o por absorción de rayos X por la estructura fina (o espectrometría XAS).

Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se utilizan partícu-las muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretenden generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías. Este es el caso del gran acelerador circular del CERN, donde el LEP, colisionador de electrones y positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de hadrones.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes, como el RHIC, el LHC (está programada su puesta en marcha en el día 10 de septiembre de 2008) o el Tevatrón se utilizan en experimentos de física de partículas.

Ciclotrón

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de “D”. Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración, circular cuando la partícula se encuentra dentro de uno de los pares, y lineal cuando está entre los dos pares.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por ejemplo el rodotrón).

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico (como por ejemplo la producción de 18F para su uso en los PET), para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación. También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados espectrómetros de masas.

Para alcanzar energías superiores, del orden de los GeV y superiores, es necesario utilizar sincrotrones.

Sincrotrón

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatrón construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

Recreación de un sincrotrón

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos, pasando de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:
• el desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesa-rios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas impensables,
• sistemas de vacío, que permitan mantener las partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del haz inadmisibles,
• superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las partículas en las distintas con-figuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los análisis científicos de los grandes aceleradores como el LHC.

Al igual que en otras áreas de la tecnología de punta, existen múltiples desarrollos que se reali-zaron para su aplicación en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de las perso-nas. Quizá el más conocido fue la creación de la World Wide Web, desarrollado para su aplicación en el LEP.

La única forma de elevar la energía de las partículas con estos aceleradores es incrementar su tamaño. Generalmente se toma como referencia la longitud del perímetro de la circunferencia (realmente no forman una circunferencia perfecta, sino un polígono lo más aproximado posible a esta). Por ejemplo tendríamos el LEP con 26.6 km, capaz de alcanzar los 45 GeV (91 GeV para una colisión de dos haces en sentidos opuestos), actualmente reconvertido en el LHC del que se prevén energías superiores a los 7 TeV.

Ampliación de contenidos sobre el Sincrotrón

El sincrotrón es un acelerador de partículas que acelera partículas cargadas inicialmente en un recipiente toroidal.

A diferencia de un ciclotrón que usa un campo magnético constante (que hace que las partículas giren) y un campo eléctrico constante (para acelerar las partículas), y de un sincrociclotrón, el cual varía uno de los dos campos, en el sincrotrón ambos campos se hacen variar para mantener el camino de las partículas de forma constante, o sea, el radio no varía demasiado. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotón emitida es igual a la energía inyectada.

En el ciclotrón isócrono, se construye un imán tal que el campo magnético es más fuerte cuando está más próximo a la circunferencia que en el centro de la misma, de esta manera se genera un aumento total y se mantiene la revolución a una frecuencia constante. En este dispositi-vo, un anillo de imanes rodea un tanque en forma de anillo de vacío. El campo magnético se incrementa con las velocidades del protón, las partículas se deben inyectar en un sincrotrón de otro acelerador.

  • Desarrollo

El primer sincrotrón de protón fue el cosmotrón usado en el Laboratorio nacional Brookha-ven (Nueva York), y comenzó a operar en 1952, logrando una energía de 3 GeV. Otro que le siguió fue el sincrotrón 500-GeV del laboratorio estadounidense Fermi National Accelerator en Batavia, Illinois, construido para ser el acelerador de más alcance del mundo a inicios de los años 70; su anillo delinea una circunferencia de aproximadamente 6 kilómetros. Esta máquina fue actualizada en 1983 para acelerar protones y contar antiprotones que se propagan a velocidades tan enormes que los impactos que sobrevienen entregan energías de hasta 2 billones (tera-) de electronvoltios (TeV), por ello el anillo se ha duplicado en el Tevatron.
El Tevatrón es un ejemplo de una máquina que sería capaz de producir choques de rayos, y que es realmente un acelerador doble que se sobrealimenta de la separación de 2 rayos, luego de que estos chocan de frente o en un determinado ángulo de incidencia. Según efectos relativistas, producir las mismas reacciones con un acelerador convencional requeriría un solo rayo que al golpear un blanco inmóvil produciría mucho más de dos veces la energía liberada por cualquiera de los rayos que chocan.

Aceleradores de mayor alcance de velocidad son construidos ampliando el radio y usando compartimientos más numerosos y con gran alcance de microondas para acelerar la radiación de la partícula en los puntos tangenciales. Las partículas más ligeras (tales como electrones) pierden una fracción más grande de su energía al dar vuelta, ya que se mueven mucho más rápidamente que un protón de la misma energía, así que los sincrotrones de la alta energía aceleran partículas más grandes; protones o núcleos atómicos. Por ello se dice que el sincrotrón se puede utilizar para acelerar electrones pero es ineficaz. Una máquina circular que acelera electrones es el betatrón, inventado por Donald Kerst en 1939. Los electrones se inyectan en un compartimiento en forma de anillo de vacío que debe estar rodeado de un campo magnético. El campo magnético se aumenta constantemente, de tal forma que induce un campo eléctrico tangencial que acelerará a los electrones.

  • Sincrotrones actuales

Entre los sincrotrones más grandes, está el Bevatron, actualmente en desuso, construido en 1950 en el Lawrence Berkeley National Laboratory (California, EE.UU.) y que fue utilizado para establecer la existencia del antiprotón. El nombre de este acelerador de protones proviene de su energía, que está en la gama de 6.3 GeV (entonces llamado BeV por su mil millones de electronvoltios; un gran número de elementos pesados, no vistos en el mundo natural, fueron generados con esta máquina).

Al parecer el elevado coste es el factor limitador en fabricar aceleradores de partículas pesadas. El CERN, en Europa está desarrollando actualmente aceleradores un poco menos ambiciosos que avanzarán perceptiblemente en la forma de manejo de energía. Mientras hay potencial para todo tipo de aceleradores cíclicos de partículas pesadas, parece ser que la siguiente etapa demanda intensificar la energía de aceleración del electrón por la necesidad de evitar las pérdidas debido a la radiación sincrotrón. Esto motivará una vuelta al acelerador lineal, pero cuyos dispositivos serán notoriamente más largos que los actualmente en uso. Sin embargo la radiación sincrotrón es usada por muchos científicos y para ellos la producción de la radiación sincrotrón es el único propósito del mismo. La radiación sincrotrón es útil para una amplia gama de usos y muchos sincrotrones se han construido especialmente para producir su luz. SPring-8 en Japón es uno de ellos: su capacidad de alcance es la mayor en el mundo en lo que se refiere a aceleración del electrón (en fecha 2005) y es de 8 GeV.

  • Aplicaciones de la radiación sincrotrón

La capacidad para crear nuevos materiales está ineludiblemente unida a los avances en la comprensión de los fenómenos físicos y químicos fundamentales de los mismos. Habitualmente, en dichos fenómenos entran en juego varias escalas de longitud y rangos energéticos. Por ello, es fundamental contar con múltiples técnicas de caracterización complementarias, mejor cuanto más versátiles. En este sentido, la radiación sincrotrón es una herramienta ya insustituible en ciencia de materiales porque ofrece un conjunto de técnicas muy amplio, que resulta idóneo en varios momentos del proceso de desarrollo de un material susceptible de tener aplicaciones tecnológicas.

  • La RS tiene ciertas propiedades que convierten en una herramienta básica en ciencia de materiales:
  • Es una fuente de luz muy brillante, mucho más que cualquier otra fuente de luz de laboratorio. Además está colimada: es un haz de luz finísimo de muy baja dispersión angular.
  • La RS es una fuente de luz blanca, esto es, el haz incidente está compuesto de todos los colores (es decir, energías) desde el ultravioleta hasta los rayos gamma, pasando por los rayos X.
  • La RS es una fuente de luz con energías adecuadas para excitar transiciones electrónicas en la materia, por lo que permite estudiar la estructura electrónica de los materiales (magne-tismo, superconductividad, semiconductividad…).
  • Las longitudes de onda de la luz sincrotrón varían desde unas décimas de ángstrom (1Å = 10-10 m) hasta las micras (10-6 m), incluyendo las distancias interatómicas en sólidos. Por ello, la RS está adaptada para el estudio de la estructura de materiales, tanto de sólidos como de plásticos, fibras musculares, proteínas, virus, etc.
  • La RS está polarizada, y se puede seleccionar cualquier estado de polarización: lineal (horizontal o vertical), circular, o cualquier estado intermedio.
  • Los electrones en el anillo no forman un flujo de carga continuo, sino que se agrupan en paquetes, de modo que la RS se produce de modo estroboscópico: consta de pulsos de de-cenas de picosegundos de duración (~10-11 s) cada cientos de nanosegundos (~10-8 – 10-7 s), lo que permite realizar experimentos en función del tiempo con resolución ultrarrápida.

Estas propiedades combinadas hacen de la RS una herramienta muy versátil, como se mos-trará a continuación en una selección de ejemplos. En la ciencia actual, nuevos experimentos engendran nuevos conceptos, renovando nuestra concepción de la Naturaleza. Esta es la gran potencia de ciertas herramientas experimentales, y entre ellas, la Radiación Sincrotrón.

  • Microscopía

La aplicación paradigmática de las fuentes de rayos x es la de técnica de visualización para el diagnóstico médico, en la que se observa el contraste entre la absorción (la sombra) del tejido óseo y del blando en un cuerpo vivo. Las fuentes de RS han permitido desarrollar varias técnicas de visualización y microscopía no sólo basadas en la absorción sino también en la diferencia de fase entre la luz incidente y la dispersada

Hoy en día, la tomografía computerizada de rayos x, desarrollada en los 60 y 70 para visuali-zación médica es también una técnica de ciencia de materiales en los sincrotrones de todo el mun-do. Esta técnica hace uso de las propiedades de la luz sincrotrón para eliminar artefactos y mejorar el contraste. La coherencia (parcial) del haz de luz sincrotrón permite la reconstrucción tridimensio-nal mediante un análisis no destructivo. Este tipo de técnicas puede ser fundamental en control de calidad: nuevos estudios de daño y fractura, de formación y percolación de defectos, etc., son de importancia capital y permiten aplicar una “nueva mirada” sobre materiales de interés tecnológico.

  • Caracterización de espumas metálicas por microtomografía de rayos X

En sistemas de gran contraste, como las espumas metálicas, en las que la frontera metal-aire es visible mediante técnicas radiográficas, la tomografía de rayos X se puede utilizar para caracterizar muestras tridimensionalmente con resultados espectaculares. Son bien conocidos los resultados en visualización de tejido óseo trabecular, de gran proyección en la diagnosis y el tratamiento de la osteoporosis. Menos conocidos pero igualmente importantes desde un punto de vista industrial son los estudios de burbujas en cerveza, la estructura de la capa blanca que se forma en el chocolate mal conservado o las espumas poliméricas o metálicas.

  • Espectromicroscopía electrónica (XPEEM) y Dicroísmo Magnético (XMCD)

La radiación sincrotrón cubre el espectro de energías de las excitaciones electrónicas (efecto fotoeléctrico). En la última década se ha desarrollado una microscopía electrónica que aprovecha como fuente de la imagen los electrones arrancados de los átomos de la superficie por la excitación debida a la iluminación mediante el haz de rayos x. La imagen así formada nos ofrece una microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X de la superficie de la muestra (X-ray PhotoEmission Electron Microscopy, XPEEM). Además, si la energía del haz de RS selecciona un umbral de absorción de un átomo determinado, la imagen es sensible únicamente a ese átomo, pudiendo realizarse espectromicroscopía.

El objetivo de estos sistemas es explotar las propiedades micro- y optoelectrónicas de estas nanoestructuras que serían completamente compatibles con los dispositivos actuales de silicio. Hay al menos tres problemas relacionados con el crecimiento de QDs que deben ser controlados a día de hoy: 1) su posicionamiento, 2) su crecimiento, y 3) la composición de cada QD individual en un dispositivo. En este tercer punto, la selectividad atómica del XPEEM es fundamental, ya que se pueden medir con precisión cuánto germanio y cuánto silicio hay en un QD particular. La resolución espacial es de unos 300 nanómetros.

  • Crecimiento de moléculas de fullereno sobre germanio

El descubrimiento de superconductividad y otras propiedades fascinantes de materiales basados en C60 ha estimulado un gran número de estudios experimentales acerca de la adsorción y crecimiento de moléculas de C60 sobre metales y semiconductores. Los fullerenos son una forma alotrópica de carbono descubierta en la pasada década de los 80. La molécula, de 60 átomos de carbono equivalentes en un estado mixto sp2-sp3, tiene la forma de un balón de fútbol tradicional. Esta es una molécula fascinante, que da origen a sólidos con propiedades electrónicas sorprendentes, ya sea por formación de compuestos o por polimerización (ya sea fotoinducida o generada por presión). En relación con el crecimiento de láminas de C60 sobre metales y semiconductores, la comprensión de las interacciones interfaciales es un objetivo fundamental. La RS permite, mediante la técnica de difracción de superficies la determinación detallada de la estructura de la primera capa. Un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona ha resuelto mediante experimentos de difracción de RS en superficies la estructura de la adsorción de C60 a 500 °C en una superficie limpia de germanio.

ALBA, el sincrotrón español

España es socio fundador de la Fuente Europea de Radiación Sincrotrón, el ESRF de Greno-ble. Por ello, desde su apertura en 1995 los españoles tenemos derecho a utilizar un 4% del tiempo total de haz del ESRF, el porcentaje que sufragamos de su presupuesto anual. Los científicos españoles tienen acceso al tiempo público de cualquier línea de luz del ESRF. Además, España mantiene dos líneas: BM16, que está dedicada a la difracción de macromoléculas y a experimentos de dispersión de luz por “materia condensada blanda” (dispersión a bajo ángulo), y BM25-Spline, que es una línea doble dedicada a diversos experimentos en “materia condensada dura” (difracción, absorción, superficies).

España decidió en 2002 que no podía perder el tren de la Radiación Sincrotrón y un consorcio formado al 50% por el Ministerio de Educación y Ciencia y la Consejería de Ciencia y Universidades de la Generalitat de Cataluña puso los cimientos de un proyecto que empezó a andar en 2004 y ofrecerá los primeros fotones a sus usuarios hacia el final de esta década: ALBA, el sincrotrón español de tercera generación ya se construye en Bellaterra, al lado de la Universidad Autónoma de Barcelona. El anillo tendrá un mínimo de 7 líneas de luz funcionando en un primer momento, con capacidad para ampliar hasta más de una veintena. En un futuro aún lejano se construirán varias máquinas en el mundo de una nueva generación de sincrotrones (la cuarta), también llamados “láseres de electrones libres” (FEL). España ya ha firmado el convenio del proyecto FEL europeo, que se construirá en Hamburgo y que está actualmente en fase de diseño.

El primer acelerador de partículas español, Sincrotrón Alba, entrará en funcionamiento entre 2010 y 2011. Su emplazamiento es Cerdanyola (Barcelona). Está siendo construido por el consorcio CELLS. El sincrotrón se llamará ALBA en honor a la luz que generará y será gestionado por el propio CELLS (Consorcio para la Construcción, Equipamiento y Explotación del Laboratorio de Luz Sincrotrón).

Vista aérea del sincrotrón ALBA

Es considerado una de las dos infraestructuras científicas tecnológicas, junto con el gran te-lescopio de Canarias, más grandes de España. De hecho, su inversión ha costado unos 202 millones de euros en el que Generalitat y Estado aportan el 50 por ciento.

2009 fue el año de montaje de toda la maquinaria imprescindible para hacer funcionar este acelerador de partículas, encargado de producir radiación electromagnética y que en otoño de 2010 pueda empezar a realizar pequeños “experimentos de prueba”. El Laboratorio de Luz de tercera generación funcionará como un microscopio gigante para “analizar la materia” según explicó el res-ponsable de Experimentos del Sincrotrón, Salvador Ferrer, que aseguró que los trabajos que des-arrollen los científicos servirán a sectores tan diversos como la nanotectonlogía, las ciencias de la vida o las farmacéuticas.

La capacidad del Sincrotrón permitirá albergar hasta una treintena de líneas de investiga-ción. Para la primera fase se han aprobado ya siete lineas.

  1. Core Level Absorption & Emission Spectroscopies (CLÆSS)
  2. Materials Science and Powder Diffraction BeamLine (MSPD)
  3. Macromolecular Crystallography (XALOC)
  4. Non-Crystalline Diffraction (NCD)
  5. Photoemission Spectroscoscopy and Microscopy (CIRCE)
  6. Soft X-ray Variable Polarisation (XMCD)
  7. X-Ray Microscopy (MISTRAL)

Por el momento serán siete experimentos los que se pondrán en marcha, como la descomposición de proteínas, puesto que el conocimiento de su estructura es básico para la elaboración de fármacos. Además, otras líneas irán orientadas a la descomposición de polímeros y fibras o a los experimentos para el sector de la tecnología y nanotecnología.

Será la primera estructura de este tipo en España con lo que se dará servicio no sólo a la comunidad científica española, sino también a la extranjera. Otros países europeos como Francia, reino unido o Alemania cuentan con sincrotrones desde hace muchos años. Actualmente existen en Europa cerca de 20 sincrotrones, pero ALBA será el único situado al sur de la línea imaginaria que une París y Trieste, exceptuando el de Grenoble, lo que convierte al edificio de Cerdanyola del Vallès en una de las instalaciones científicas más importantes del sur del Viejo Continente.

El acelerador de partículas se encuentra en un punto estratégico por su cercanía al Parque tecnológico de Cerdanyola del Vallès y también de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), con quien la Generalitat firmó recientemente un convenio para captar empresas y centros del I+D y tecnológicos para crear un polo de economía del conocimiento.

Bibliografía