Láser de electrones libres - Free-electron laser

El láser de electrones libres FELIX Radboud University, Holanda.

Un láser de electrones libres ( FEL ) es una fuente de luz de sincrotrón (cuarta generación) que produce pulsos cortos y extremadamente brillantes de radiación de sincrotrón. Un FEL funciona y se comporta de muchas formas como un láser , pero en lugar de utilizar la emisión estimulada de excitaciones atómicas o moleculares, emplea electrones relativistas como medio de ganancia . La radiación de sincrotrón se genera cuando un grupo de electrones pasa a través de una estructura magnética (llamada ondulador o meneo ). En un FEL, esta radiación se amplifica aún más a medida que la radiación de sincrotrón vuelve a interactuar con el grupo de electrones de modo que los electrones comienzan a emitirse de manera coherente, lo que permite un aumento exponencial en la intensidad de la radiación general.

Como la energía cinética electrónica y los parámetros del ondulador se pueden adaptar como se desee, los láseres de electrones libres se pueden sintonizar y se pueden construir para un rango de frecuencia más amplio que cualquier tipo de láser, que actualmente varía en longitud de onda desde microondas , pasando por radiación de terahercios e infrarrojos , hasta el visible. espectro , ultravioleta , y de rayos X .

Representación esquemática de un ondulador , en el núcleo de un láser de electrones libres.

El primer láser de electrones libres fue desarrollado por John Madey en 1971 en la Universidad de Stanford utilizando tecnología desarrollada por Hans Motz y sus compañeros de trabajo, quienes construyeron un ondulador en Stanford en 1953, utilizando la configuración magnética wiggler . Madey usó un haz de electrones de 43 MeV y un meneo de 5 m de largo para amplificar una señal.

Creación de vigas

El ondulador de FELIX .

Para crear un FEL, se acelera un haz de electrones hasta casi la velocidad de la luz . El rayo pasa a través de una disposición periódica de imanes con polos alternos a través de la trayectoria del rayo, lo que crea un campo magnético de lado a lado . La dirección del haz se llama dirección longitudinal, mientras que la dirección a través de la trayectoria del haz se llama transversal. Este conjunto de imanes se llama ondulador o meneo , porque la fuerza de Lorentz del campo obliga a los electrones del haz a moverse transversalmente, viajando a lo largo de una trayectoria sinusoidal alrededor del eje del ondulador.

La aceleración transversal de los electrones a través de este camino da como resultado la liberación de fotones ( radiación de sincrotrón ), que son monocromáticos pero aún incoherentes, porque las ondas electromagnéticas de electrones distribuidos aleatoriamente interfieren constructiva y destructivamente en el tiempo. La potencia de radiación resultante se escala linealmente con el número de electrones. Los espejos en cada extremo del ondulador crean una cavidad óptica , lo que hace que la radiación forme ondas estacionarias o, alternativamente, se proporciona un láser de excitación externo. La radiación de sincrotrón se vuelve lo suficientemente fuerte como para que el campo eléctrico transversal del haz de radiación interactúe con la corriente de electrones transversal creada por el movimiento de meneo sinusoidal, lo que hace que algunos electrones ganen y otros pierdan energía en el campo óptico a través de la fuerza ponderomotriz .

Esta modulación de energía evoluciona a modulaciones de densidad de electrones (corriente) con un período de una longitud de onda óptica. Por tanto, los electrones se agrupan longitudinalmente en microbunches , separados por una longitud de onda óptica a lo largo del eje. Mientras que un ondulador por sí solo haría que los electrones irradien de forma independiente (incoherente), la radiación emitida por los electrones agrupados está en fase y los campos se suman de manera coherente .

La intensidad de la radiación aumenta, provocando un microagrupamiento adicional de los electrones, que continúan irradiando en fase entre sí. Este proceso continúa hasta que los electrones están completamente microagrupados y la radiación alcanza una potencia saturada varios órdenes de magnitud superior a la de la radiación onduladora.

La longitud de onda de la radiación emitida se puede sintonizar fácilmente ajustando la energía del haz de electrones o la intensidad del campo magnético de los onduladores.

Los FEL son máquinas relativistas. La longitud de onda de la radiación emitida , viene dada por

o cuando el parámetro de fuerza de wiggler K , que se analiza a continuación, es pequeño

donde es la longitud de onda del ondulador (el período espacial del campo magnético), es el factor relativista de Lorentz y la constante de proporcionalidad depende de la geometría del ondulador y es del orden de 1.

Esta fórmula puede entenderse como una combinación de dos efectos relativistas. Imagina que estás sentado sobre un electrón que atraviesa el ondulador. Debido a la contracción de Lorentz, el ondulador se acorta en un factor y el electrón experimenta una longitud de onda ondulante mucho más corta . Sin embargo, la radiación emitida en esta longitud de onda se observa en el marco de referencia del laboratorio y el efecto Doppler relativista trae el segundo factor a la fórmula anterior. En un FEL de rayos X, la longitud de onda onduladora típica de 1 cm se transforma en longitudes de onda de rayos X del orden de 1 nm por ≈ 2000, es decir, los electrones tienen que viajar con la velocidad de 0,9999998 c .

Parámetro de fuerza de Wiggler K

K , un parámetro adimensional , define la fuerza del wiggler como la relación entre la duración de un período y el radio de curvatura,

donde es el radio de curvatura, es el campo magnético aplicado, es la masa del electrón y es la carga elemental .

Expresado en unidades prácticas, el parámetro ondulador adimensional es .

Efectos cuánticos

En la mayoría de los casos, la teoría del electromagnetismo clásico explica adecuadamente el comportamiento de los láseres de electrones libres. Para longitudes de onda suficientemente cortas, es posible que deban considerarse los efectos cuánticos del retroceso de los electrones y el ruido de disparo .

Construcción FEL

Los láseres de electrones libres requieren el uso de un acelerador de electrones con su blindaje asociado, ya que los electrones acelerados pueden representar un peligro de radiación si no se contienen adecuadamente. Estos aceleradores generalmente funcionan con klistrones , que requieren un suministro de alto voltaje. El haz de electrones debe mantenerse en vacío , lo que requiere el uso de numerosas bombas de vacío a lo largo de la trayectoria del haz. Si bien este equipo es voluminoso y costoso, los láseres de electrones libres pueden alcanzar potencias máximas muy altas, y la capacidad de sintonización de los FEL los hace muy deseables en muchas disciplinas, incluida la química, la determinación de la estructura de moléculas en biología, el diagnóstico médico y las pruebas no destructivas .

FEL infrarrojos y terahercios

El Instituto Fritz Haber de Berlín completó un FEL de infrarrojos medios y terahercios en 2013.

FEL de rayos X

La falta de un material para hacer espejos que pueda reflejar rayos X y ultravioleta extremos significa que los FEL en estas frecuencias no pueden usar una cavidad resonante como otros láseres, que refleja la radiación, por lo que hace múltiples pases a través del ondulador. En consecuencia, en un FEL de rayos X (XFEL), el haz de salida se produce mediante un solo paso de radiación a través del ondulador . Esto requiere que haya suficiente amplificación en una sola pasada para producir un haz suficientemente brillante.

Debido a la falta de espejos, los XFEL usan onduladores largos. El principio subyacente de los pulsos intensos del láser de rayos X reside en el principio de emisión espontánea autoamplificada (SASE), que conduce al microaglomerado. Inicialmente, todos los electrones se distribuyen uniformemente y emiten solo radiación espontánea incoherente. A través de la interacción de esta radiación y las oscilaciones de los electrones , se derivan en microbunchos separados por una distancia igual a una longitud de onda de radiación. A través de esta interacción, todos los electrones comienzan a emitir radiación coherente en fase. Toda la radiación emitida puede reforzarse perfectamente, por lo que las crestas de las olas y los valles de las olas siempre se superponen entre sí de la mejor manera posible. Esto da como resultado un aumento exponencial de la potencia de radiación emitida, lo que genera intensidades de haz altas y propiedades similares a las del láser. Ejemplos de instalaciones que operan según el principio SASE FEL incluyen el LÁSer de electrones libres en Hamburgo ( FLASH ), la Fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC , el láser europeo de electrones libres de rayos X (EuXFEL) en Hamburgo, el SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) en Japón, SwissFEL en el Paul Scherrer Institute (Suiza), SACLA en el RIKEN Harima Institute en Japón y PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-Electron Laser) en Corea.

Auto-siembra

Un problema con los FEL de SASE es la falta de coherencia temporal debido a un proceso de inicio ruidoso . Para evitar esto, se puede "sembrar" un FEL con un láser sintonizado con la resonancia del FEL. Tal semilla temporalmente coherente se puede producir por medios más convencionales, como por generación de armónicos altos (HHG) usando un pulso de láser óptico. Esto da como resultado una amplificación coherente de la señal de entrada; en efecto, la calidad del láser de salida se caracteriza por la semilla. Si bien las semillas de HHG están disponibles en longitudes de onda hasta el ultravioleta extremo, la siembra no es factible en longitudes de onda de rayos X debido a la falta de láseres de rayos X convencionales.

A finales de 2010, en Italia, la fuente de FEL semilla FERMI @ Elettra comenzó a poner en marcha, en el Laboratorio de Sincrotrón de Trieste . FERMI @ Elettra es una instalación de usuario de FEL de un solo paso que cubre el rango de longitud de onda de 100 nm (12 eV) a 10 nm (124 eV), ubicada junto a la instalación de radiación de sincrotrón de tercera generación ELETTRA en Trieste, Italia.

En 2012, los científicos que trabajaban en el LCLS superaron la limitación de siembra para las longitudes de onda de los rayos X mediante la siembra automática del láser con su propio rayo después de ser filtrado a través de un monocromador de diamante . La intensidad y la monocromaticidad resultantes del rayo no tenían precedentes y permitieron realizar nuevos experimentos con la manipulación de átomos y la formación de imágenes de moléculas. Otros laboratorios de todo el mundo están incorporando la técnica en sus equipos.

Investigar

Biomédico

Investigación básica

Los investigadores han explorado los láseres de electrones libres como una alternativa a las fuentes de luz de sincrotrón que han sido los caballos de batalla de la cristalografía de proteínas y la biología celular .

Los rayos X pueden proteínas imagen excepcionalmente brillante y rápidas utilizando cristalografía de rayos x . Esta técnica permite obtener imágenes por primera vez de proteínas que no se apilan de una manera que permite obtener imágenes mediante técnicas convencionales, el 25% del número total de proteínas. Se han logrado resoluciones de 0,8 nm con duraciones de pulso de 30 femtosegundos . Para obtener una vista clara, se requiere una resolución de 0,1 a 0,3 nm. Las duraciones de pulso cortas permiten que se registren imágenes de patrones de difracción de rayos X antes de que se destruyan las moléculas. Los rayos X brillantes y rápidos se produjeron en la fuente de luz coherente Linac en SLAC. A partir de 2014, LCLS era el FEL de rayos X más potente del mundo.

Debido al aumento de las tasas de repetición de las fuentes FEL de rayos X de próxima generación, como el XFEL europeo , también se espera que el número esperado de patrones de difracción aumente en una cantidad sustancial. El aumento en el número de patrones de difracción ejercerá una gran presión sobre los métodos de análisis existentes. Para combatir esto, se han investigado varios métodos con el fin de poder clasificar la enorme cantidad de datos que generarán los típicos experimentos FEL de rayos X. Si bien se ha demostrado que los diversos métodos son efectivos, está claro que para allanar el camino hacia la obtención de imágenes FEL de rayos X de una sola partícula a tasas de repetición completas, se deben superar varios desafíos antes de que se pueda lograr la siguiente revolución de resolución.

Nuevos biomarcadores para enfermedades metabólicas: aprovechando la selectividad y la sensibilidad al combinar la espectroscopia de iones infrarrojos y la espectrometría de masas, los científicos pueden proporcionar una huella dactilar estructural de moléculas pequeñas en muestras biológicas, como sangre u orina. Esta nueva y única metodología está generando nuevas e interesantes posibilidades para comprender mejor las enfermedades metabólicas y desarrollar nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas.

Cirugía

La investigación realizada por Glenn Edwards y sus colegas en el Centro FEL de la Universidad de Vanderbilt en 1994 encontró que los tejidos blandos, incluida la piel, la córnea y el tejido cerebral, podían cortarse o extirparse utilizando longitudes de onda infrarrojas FEL de aproximadamente 6,45 micrómetros con un daño colateral mínimo al tejido adyacente. Esto condujo a cirugías en humanos, la primera en utilizar un láser de electrones libres. A partir de 1999, Copeland y Konrad realizaron tres cirugías en las que resecaron tumores cerebrales de meningioma . A partir de 2000, Joos y Mawn realizaron cinco cirugías que cortaron una ventana en la vaina del nervio óptico , para probar la eficacia de la fenestración de la vaina del nervio óptico . Estas ocho cirugías produjeron resultados consistentes con el estándar de atención y con el beneficio adicional de un daño colateral mínimo. En la 1ª edición de Tunable Laser Applications se ofrece una revisión de los FEL para usos médicos.

Eliminación de grasa

Se han creado varios láseres clínicos pequeños sintonizables en el rango de 6 a 7 micrómetros con estructura de pulso y energía para producir un daño colateral mínimo en los tejidos blandos. En Vanderbilt, existe un sistema de cambio Raman bombeado por un láser de Alejandrita.

Rox Anderson propuso la aplicación médica del láser de electrones libres para derretir grasas sin dañar la piel suprayacente. A longitudes de onda infrarrojas , el agua en el tejido se calentó con el láser, pero a longitudes de onda correspondientes a 915, 1210 y 1720 nm , los lípidos subsuperficiales se calentaron diferencialmente con más fuerza que el agua. Las posibles aplicaciones de esta fototermólisis selectiva (calentar tejidos con luz) incluyen la destrucción selectiva de los lípidos del sebo para tratar el acné , así como también atacar otros lípidos asociados con la celulitis y la grasa corporal, así como las placas grasas que se forman en las arterias y que pueden ayudar a tratar la aterosclerosis. y enfermedades del corazón .

Militar

La tecnología FEL está siendo evaluada por la Marina de los Estados Unidos como un candidato para un arma de energía dirigida antiaérea y antimisiles . El FEL de Thomas Jefferson National Accelerator Facility ha demostrado una potencia de salida de más de 14 kW. Se están investigando armas compactas de clase FEL de varios megavatios. El 9 de junio de 2009, la Oficina de Investigación Naval anunció que había adjudicado a Raytheon un contrato para desarrollar un FEL experimental de 100 kW. El 18 de marzo de 2010, Boeing Directed Energy Systems anunció la finalización de un diseño inicial para uso naval de EE. UU. Se demostró un prototipo de sistema FEL, con un prototipo de potencia completa programado para 2018.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos