Láseres de rayos X

Apuntes universitarios (V): láseres de rayos X

Continúo con los trabajos de mi época universitaria. En este caso ampliando el tema del láser, del que te hablaba en un artículo anterior.

 

 

Desde que se realizó la primera demostración práctica de su funcionamiento, en 1960, los láseres han ido ganando importancia, hasta ocupar hoy un lugar destacado en la vida cotidiana, debido a sus múltiples aplicaciones ya que constituyen el componente principal de muchos equipos de uso común. Tenidos en su origen por una curiosidad académica, hoy se utilizan rutinariamente en muchos campos de la ciencia y la tecnología, en aplicaciones como el tratamiento de los desprendimientos de retina, la cirugia endoscópica, los lectores de códigos de barras usuales en los supermercados, las comunicaciones digitales por fibra óptica o los reproductores de discos compactos.

Este pasaje de curiosidad de laboratorio, como podía calificarse al primer láser de rubí de hace más de treinta años, a instrumento de extensa utilización para los más variados fines está relacionado con la simplicidad de operación del láser, que se logró tras muchos años de investigación y desarrollo. La rápida evolución de la tecnología ha permitido, por ejemplo, que ahora se pueda obtener, a muy bajo precio, un láser del tamaño de un lápiz, la mayor parte de cuyo volumen esta destinada a la batería que le suministra la energía necesaria para que funcione.

Características

Amplifica la radiación electromagnética de longitud de onda muy inferior a la de la luz visible, desde la ultravioleta lejana hasta los rayos X, es decir, radiación que se ubica en el rango de entre los 100nm y los 3nm (la luz visible tiene longitudes de onda que van de 400nm a 750nm).

El láser de rayos X comenzó a ensayarse a mediados de la década de los 80 y desde entonces ha evolucionado rápidamente. Los primeros estudios que demostraron la factibilidad de la amplificación de radiación en la mencionada zona del espectro electromagnético y fueron publicados, casi simultáneamente y en forma independiente, por dos grupos de investigación de los EE.UU., uno del Lawrence Livermore Laboratory y otro de la universidad de Princeton. Desde entonces, numerosos equipos de científicos, trabajando en distintas regiones del mundo, se han abocado a su estudio.

El interés por desarrollar láseres en la región de los rayos X del espectro se debe a las ventajas que tienen para el uso de fotones en el estudio de procesos fundamentales de la biología, la medicina y de muchas otras ramas de la ciencia y la tecnología. Una reducción sensible en la longitud de onda de la radiación láser -la correspondiente a los rayos X de mayor longitud de onda (y, por lo tanto, de menor energía), llamados rayos X blandos, es una cien veces menor que la de la luz visible permitiría alcanzar un nivel de detalle aún no logrado con otras herramientas de estudio. Sin embargo, hasta hace poco, no se había conseguido que tales láseres fueran lo suficientemente sencillos como para ser de utilización general. Un experimento reciente abrió la posibilidad de que, en el futuro, cambie radicalmente el espectro de los usuarios de láseres de rayos X y estos se conviertan en herramienta de trabajo de muchos laboratorios.

Funcionamiento

Si bien por extensión se continúa llamando láseres a los sistemas que funcionan en la región de los rayos X, son algo diferentes de los que operan en la negión del espectro visible. Como se puede ver en la figura 1, un láser de luz visible está constituído por un medio amplificador de luz, por lo general de forma cilindrica o alargada, ubicado dentro de una cavidad resonante formada por dos o más espejos alineados a lo largo de un eje preferencial. La luz emitida por el medio se refleja en los espejos, que la dirigen nuevamente hacia el primero y producen un aumento de su intensidad con cada pasaje. La salida de luz de la cavidad resonante tiene lugar a través de uno de los espejos, que se construye de manera tal que deje pasar parte de la luz incidente.

Fig 1. Esquema de funcionamiento de un laser de luz visible. La luz emitida por el medio amplificador se refleja en los espejos, que la dirigen nuevamente a aquel y producen, con cada nuevo pasaje, un aumento de su intensidad. La salida de la luz de la cavidad resonante tiene lugar por uno de los espejos, que es semitransparente a la luz que incide sobre él.

 

Dado a que no ha sido posible fabricar espejos con eficiencia suficiente como para poder reflejar rayos X, los láseres de estos carecen de cavidades resonantes y funcionan mediante el proceso llamado de amplificación de emisión espontánea (o ASE, acrónimo del inglés amplified spontaneous emission). La emisión estimulada tiene lugar en un pequeño volumen del medio activo y es amplificada a lo largo de este a medida que los fotones se propagan siguiendo la dirección preferencial dada por su forma. Dicho medio, por lo general, es un cilindro alargado con un factor de aspecto grande. La colimación del haz, esto es, el proceso que determina que el haz de radiación esté formado por trayectorias aproximadamente paralelas entre sí y que se propague manteniendo su sección transversal aproximadamente constante, depende del factor de aspecto de la zona activa: cuanto mayor sea, es decir, cuanto más alargada sea esta, mayor será la colimación. La coherencia de la radiación del láser de rayos X varía con el equipo que la genera, pero habitualmente es menor que la de los láseres de radiación visible.

Fig 2. Esquema de funcionamiento de un laser de rayos X por amplificación de emisión espontánea (ASE)

 

Se han diseñado estructuras con aceptable capacidad de reflejar rayos X que incidan perpendicularmente sobre ellas. Pueden, pues, funcionar como espejos adecuados para realimentar tal tipo de radiación en una cavidad. La principal dificultad es lograr que esos espejos no se deterioren rápidamente por el contacto o la cercanía del medio activo, que en el caso de los láseres de rayos X esta constituido por un plasma altamente ionizado (un gas formado por electrones libres e iones con carga positiva), compuesto por abundantes cargas positivas y negativas, con gran energía, las que, al incidir sobre los espejos, los destruyen rápidamente. A pesar de estas dificultades tecnológicas, recientemente se observó el efecto de realimentación en un láser de selenio SeXXV con dos espejos sobre los que los rayos inciden perpendicularmente. (Igual que en los casos que se mencionan más adelante, los números romanos que siguen al símbolo químico indican la cantidad de electrones más uno que el elemento ha perdido, notación que es habitual en espectroscopia; aquí se trata de un átomo de selenio ionizado veinticuatro veces, o sea, al que le faltan veinticuatro electrones.)

Como alternativa a los espejos enfrentados se ha propuesto la construcción de cavidades cerradas en forma de anillo, con espejos de ciertos metales que pueden alcanzar reflectividades altas si la radiación incide en forma rasante sobre ellos (es decir, formando un ángulo de no más de 10° con su superficie). En este tipo de cavidades, la radiación sería guiada en sucesivas reflexiones a lo largo del recorrido cerrado, y se amplificaría sucesivamente pasando varias veces por el medio activo. El proceso requiere que dicho medio se mantenga con inversión de población mientras la radiación se va reflejando o, alternativamente, que sea bombeado cuando la radiación alcanza la zona activa luego de recorrer toda la cavidad en anillo. Vale decir, el medio activo amplifica durante todo el tiempo que la radiación tarda en recorrer la cavidad resonante, o es reactivado cada vez que pasa por él. Si bien es factible construir dispositivos de este tipo, y de hecho se los usa en láseres de luz visible, aún no se ha demostrado experimentalmente que funcionen para los de rayos X y, por el momento, el ASE es el único mecanismo utilizable para generar luz láser en esa zona del espectro.

Para describir con mayor precisión un láser de rayos X, habría que decir que su medio activo es el mencionado plasma muy ionizado que, en determinadas condiciones de temperatura y densidad, puede sufrir inversión de población. El procedimiento más utilizado para generar el plasma es irradiar un blanco sólido con un pulso de otro láser de muy alta energía, lo cual produce abundantes iones del elemento que compone dicho blanco. Los láseres de bombeo utilizados para tal propósito son los mismos que se emplean en los grandes equipos usados para la fusión de átomos de deuterio-tritio con el propósito de generar energía; son muy complejos y tienen importante costo operativo.

Los valores típicos de energía de los pulsos de bombeo rondan los 1000 julios, con densidades de potencia de irradiación en el blanco de 10¹⁴ vatios por centímetro cuadrado. Los láseres de rayos X quedaron limitados a aplicaciones puramente académicas, ya que su utilización estuvo, hasta ahora, restringida exclusivamente a laboratorios con medios para construir y mantener en funcionamiento esos enormes equipos. Con tales sistemas de bombeo por pulsos láser de alta energía se obtuvieron decenas de transiciones láser en diferentes elementos altamente ionizados, como la del selenio SeXXV irradiado con rayos de 20,6 nm de longitud de onda; la del germanio GeXXIII, con 23,6 nm; la del ytrio YXXX, con 15,5 nm; la del carbono CVI, con 18,2 nm y varias otras. Las longitudes de onda generadas llegan hasta los 4,5 nm, con pulsos de hasta 50 nanosegundos (50 mil millonésimas de segundo) de duración y con energías por pulso de algunos cientos de microjulios.

Otra forma de lograr plasmas altamente ionizados consiste en reemplazar el costoso y complicado láser de bombeo por una descarga eléctrica (la que, a veces, es igualmente costosa y complicada). En un medio gaseoso, la energía de la descarga proviene de un capacitor (dispositivo capaz de almacenarla), que la entrega rápidamente al recipiente que contiene el medio activo. Se ha trabajado intensamente en el estudio de diferentes configuraciones de descarga del capacitor, para lograr las condiciones que produzcan inversión de población. Para intentar obtener amplificación de rayos X. se utilizaron grandes máquinas que pueden producir pulsos de tensión de varios millones de voltios y corrientes de millones de amperios. Estos dispositivos generaron plasmas ionizados con temperatura y densidad adecuadas para el propósito buscado, pero la aparición de inestabilidades en la columna de plasma que se forma luego de la descarga produce inhomogeneidades lo suficientemente importantes como para destruir la amplificación, lo que hasta el momento ha determinado el fracaso de la búsqueda de un láser de rayos X mediante este método de bombeo.

La descarga en tubos capilares (esto es, tubos de diámetro pequeño con relación a su longitud) ha demostrado ser, hasta ahora, el procedimiento más eficaz. El efecto estabilizador de las paredes del capilar es suficiente como para lograr una columna de plasma homogénea con la calidad óptica necesaria para actuar como amplificador de la radiación. Además, la geometría alargada del capilar es adecuada para un láser, ya que la luz encuentra un camino de mayores dimensiones en la dirección del eje del capilar, a lo largo del cual se puede amplificar. La primera demostración de funcionamiento de un láser con alta amplificación en la región de los rayos X blandos se logró, usando como medio activo un plasma de argón, mediante una descarga eléctrica a través de un capilar.

Los procedimientos de bombeo más efectivos se basan en dos procesos físicos diferentes: la recombinación no radiativa y la excitación por impacto electrónico. La primera requiere que, sin emisión de fotones, parte de los electrones perdidos durante la formación del plasma se vuelvan a asociar con el ion. Un buen ejemplo de tal proceso es el láser de carbono CVI cuando genera radiación de 18,2 nm de longitud de onda. Ello necesita la formación de un plasma con una alta proporción de átomos de carbono totalmente ionizados (que hayan perdido todos sus electrones y, por lo tanto, tengan seis cargas positivas, o CVII). Tales iones CVII se recombinan con un electrón y dan, como producto, iones CVI, con una proporción grande de estos ubicados en niveles altos de energía: en ellos tiene lugar la inversión de población. El término recombinación no radiativa alude a que los niveles altamente excitados del ion producto pierden energía preferentemente por colisión con otros iones, mientras que los niveles con menor excitación lo hacen, ante todo, por emisión de fotones.

En los iones hidrogenoides, que, como el de hidrógeno, tienen un solo electrón, la inversión de población se produce en un nivel de energía tal que, desde allí hacia arriba, se pierde energía sin emisión de radiación, y hacia abajo, con tal emisión. La recombinación no radiativa es proporcional al cuadrado de la densidad electrónica (que depende de la cantidad de electrones libres por unidad de volumen) e inversamente proporcional a la temperatura electrónica (la energía cinética de los electrones) elevada a la potencia 4,5 (la raíz cuadrada de la potencia novena). Por consiguiente, para favorecer la recombinación deben generarse plasmas altamente ionizados, densos y con temperatura electrónica baja. Con el fin de lograr esas condiciones, se han ensayado con éxito varios procedimientos para enfriar el plasma (expansión, radiación y conducción) y, en todos los casos, este se genera haciendo incidir un haz láser de muy alta energía sobre un blanco de carbono.

En el otro esquema de bombeo -la excitación por colisión electrónica-, el acceso de los átomos ionizados de un elemento a niveles más altos de energía se obtiene mediante la transferencia de esta que resulta de la colisión de esos átomos con los electrones del plasma. Desde el nivel de excitación alcanzado, el ion decae a uno inferior al perder energía por emisión estimulada. Este es el esquema de bombeo que utilizan la mayor parte de los láseres de rayos X, en particular los de la llamada secuencia isoelectróníca del neón, que corresponde los iones de diferentes elementos cuya nube electrónica es similar a la del átomo de neón. Esta clase de iones se suele llamar tipo neón y ha demostrado ser la más eficaz en producir inversión de población, en gran medida, por su estabilidad, que tiene un alto potencial de ionización (energía necesaria para arrancarle electrones) asociado a una estructura de capa cerrada. El láser de argón ArIX, obtenido recientemente mediante una descarga en un capilar, es un ejemplo de esta secuencia isoelectrónica, en la que la inversión se produce por el mecanismo de excitación por colisión.

Las descargas en capilares han sido utilizadas desde hace años como una forma sencilla y eficiente de producir plasmas densos que actúen como fuentes no coherentes de radiación en el rango de longitudes de onda que van del ultravioleta de vacio a los rayos X blandos, es decir, en la región del espectro correspondiente a las longitudes de onda entre los 100 nm y los 10 nm. Tal sistema de excitación genera un plasma denso y muy ionizado, por medio de una descarga rápida de alta tensión proveniente de dos electrodos ubicados en los extremos del capilar. El plasma se produce por el aporte de material de las paredes del capilar, o por la previa inyección de algún gas en este. El procedimiento fue propuesto por primera vez en 1988, para el CVI, como una manera de obtener un láser de rayos X blandos; luego, varios grupos de investigación lo emplearon y confirmaron la factibilidad de lograr inversión de población, usando la recombinación no radiativa, mediante una descarga de alta tensión en un capilar con CVI. Los resultados, sin embargo, fueron difíciles de reproducir.

Ventajas del láser de rayos X

Poder contar con un láser de una longitud de onda mucho menor, podría, por ejemplo, mejorar significativamente la microscopía óptica dado que provee mayor poder de resolución y por lo tanto puede «ver» objetos mucho más pequeños. El doctor Marconi, profesor de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, aclara que «con el láser de rayos X se pueden, por ejemplo, obtener fotografías en relieve de células vivas antes de dañarlas. Por el contrario, si bien uno podría iluminar el objeto con una fuente común de rayos X, las dosis de irradiación necesarias serían tan grandes que se mataría al objeto antes de obtener un registro. En cambio, en forma de láser, los fotones vienen todos juntos y la energía aparece en un pulso de muy corta duración, con lo cual puede obtenerse la imagen antes de destruir lo que se quiere analizar».

«Otra ventaja importante -continúa Marconi- que se puede conseguir en comparación con una fuente de rayos X común, es que el láser es una fuente coherente (todos los fotones tienen la misma longitud de onda, a diferencia de la luz natural), y por lo tanto se lograrían experimentos mejorando, por ejemplo, la tecnología de holografías de material biológico. En éste sentido, posiblemente la mayor aplicación del láser de rayos X se encuentre en el campo de la biología».

Bibliografía

www.cienciahoy.org.ar/hoy33/laser02.htm
www.fcen.uba.ar/publicac/revexact/exacta7/informe.htm
www.elpais.com/articulo/futuro/Europa/inicia/construccion/laser/rayos/X/ubicado/Alemania/elpepufut/20070613elpepifut_2/Tes

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