Fuentes de rayos X compactas más brillantes que los sincrotrones

SMCr. Séptimo Congreso Nacional de Cristalografía. Villahermosa, Tabasco, México 4- 9 de mayo del 2014
Fuentes de rayos X compactas más brillantes que los sincrotrones actuales
X. Bokhimi
Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México
X. Bokhimi; e-mail: [email protected]
Palabras clave: Rayos X, Laser, Aceleración, Electrones, Plasma
Resumen. Los rayos X producidos en sincrotrones han permitido realizar estudios de difracción de rayos X
muy especiales, debido a la brillantez de estas fuentes, que están en el rango entre 1014 y 1022
fotones/s/mm2/mrad2/0.1% ancho de banda. Estos sistemas requieren instalaciones con dimensiones de
algunos kilómetros para acelerar los electrones a velocidades relativistas y almacenarlos antes de emplearlos
para generar los rayos X. Recientemente se ha demostrado que es posible acelerar electrones a velocidades
relativistas en distancias de sólo algunos milímetros. Esto se logra haciendo incidir pulsos de rayos laser de
potencias de algunas decenas de TW, de longitud de onda del orden 1 m y longitudes en el tiempo de
algunos fs, sobre un gas diluido de He. Al inicio de la interacción, el pulso laser produce un plasma el cual
oscila mientras el pulso lo atraviesa, generando una acumulación de electrones, atrás y junto al pulso, sujetos
a gradientes de voltaje del orden de 1 TV/m, lo cual en distancias de algunos mm los lleva a energías de
algunos GeV. Con ello, los electrones se producen en pulsos con dimensiones en el tiempo semejantes a los
del pulso laser. Esto electrones pueden sufrir también una aceleración transversal a la trayectoria del láser, por
lo cual emiten rayos X. En otras configuraciones los electrones se hacen pasar por un ondulador magnético o
se hacen interactuar con otro pulso laser que se mueve en dirección contra a ellos (arreglos que son comunes
en los sincrotrones actuales) para generar pulsos de rayos X de las mismas dimensiones en el tiempo que los
pulsos laser que aceleraron a los electrones. Estas fuentes de rayos X son compactas y producen una brillantez
igual o mayor que la de los sincrotrones actuales. La gran diferencia con los sincrotrones es que las
dimensiones de estas fuentes de rayos X compactas están dadas por las dimensiones del láser que emite los
pulsos. Por ejemplo, el láser que produce los pulsos más potentes en la actualidad, 1 PW, caben en un cuarto
con dimensiones de 26 m2; el resto de los elementos de sistema para generar los rayos X ocupan un área
similar. El método descrito en este trabajo para acelerar electrones es tan atractivo, que inclusive los
constructores de las fuentes de rayos X basadas en láseres libres de electrones (XFEL, los llamados
sincrotrones de la 4ª generación), están pensando en cambiar sus sistemas de aceleración de electrones por
este método. Las dimensiones y el costo del sistema compacto descrito en este trabajo para producir rayos X
generará toda una revolución en la difracción de rayos X porque estará disponible en casi cualquier
laboratorio estándar. Debe mencionarse también que como la dimensión en el tiempo de los pulsos de rayos X
generado en estas fuentes compactas es de sólo algunos fs, será posible analizar no sólo la estructura cristalina
de un sistema, sino también su dinámica. Estos pulsos son mucho más cortos que los generados en los
sincrotrones actuales.