Aceleración de partículas cargadas por láser: presente, futuro y aplicaciones (1 de 2)

DSCN5651A lo largo de las últimas décadas, el incesante desarrollo de la tecnología láser con la generación de pulsos cada vez más cortos y energéticos está abriendo la puerta a fenómenos insospechados con múltiples aplicaciones prácticas. Por un lado, la disminución de la longitud temporal de los pulsos nos permite tener acceso a los fenómenos más rápidos que se dan en la naturaleza, como por ejemplo la dinámica electrónica en átomos y/o moléculas. Y por otro, al aumentar la energía de la radiación láser y por tanto de la interacción láser-materia, se fuerza hasta condiciones extremas a la naturaleza obligándola a mostrar todo su “esplendor”.

De hecho si lo pensamos detenidamente estamos ante un cambio de paradigma ya que usando en principio radiación no-ionizante, como es la radiación infrarroja, es posible aumentando mucho la intensidad, conseguir ionizaciones parciales y/o totales. Esta ionización tiene lugar ya sea mediante la absorción simultánea de más de un fotón, por ejemplo en el efecto fotoeléctrico clásico solo un fotón es absorbido, o bien porque el campo eléctrico del láser es lo suficientemente intenso para distorsionar el campo creado por el núcleo atómico.

Una de las aplicaciones más interesantes que se están desarrollando hoy en día es la aceleración de partículas cargadas mediante láseres ultracortos y ultraintensos para su uso en nuevas técnicas de radioterapia. Pero como estamos introduciendo nuevos conceptos demasiado rápido, quizás muchos ya os estéis preguntando….

¿Láser ultraqué? ¿Ultraintenso y ultracorto?

Veámoslo con un ejemplo. Este es el esquema del láser VEGA que se instalará en el CLPU (Centro de Láseres Pulsados) en Salamanca a lo largo de 2015. VEGA, que estará entre los 10 láseres más potentes del mundo, tendrá 3 salidas de 20 TW, 200 TW y 1 PW; siendo 1 TW (teravatio)=1012 W y 1 PW (petavatio)=1015 W (recordemos que la potencia es energía partido por tiempo).

VEGA

Pero, ¿cuánto es 1 PW? Quizás dicho así suene a algo digamos accesible, pero veámoslo de una forma sencilla. 1 PW equivaldría a la potencia de unos ¡9.000 millones de coches! (1 CV equivale a unos 736 W).

cochesSupongo que ya estos números empiezan a asustar, pero más aún si tenemos en cuenta que la potencia eléctrica instalada en España es del orden de cien GW siendo 1 GW=109 W. Es decir, unas mil veces menor (!) que la potencia pico que desarrollará VEGA.

¿Cómo es posible alcanzar una potencia tan alta? Como decíamos antes, la potencia es energía partido por tiempo, por tanto existen dos posibles rutas.

O bien aumentamos la energía por pulso lo máximo posible, o bien se reduce la duración temporal del pulso láser. La primera opción aunque factible, de hecho es la opción tomada en los láseres de la National Ignition Facility NIF no permite alcanzar potencias pico tan grandes, principalmente por problemas de daño en materiales. En el láser VEGA se ha optado por reducir la duración temporal hasta 30 fs (1 femtosegundo=10-15 s). Es decir, se consigue 1 PW de potencia pico solo durante un instante brevísimo de tiempo. Pero de nuevo, ¿cómo podemos ver de forma gráfica 1 fs o lo que es lo mismo 0.000000000000001 s? Si tuviéramos un reloj en el que la aguja del segundero midiera femtosegundos, un segundo medido con ese reloj sería equivalente a la ¡edad del Universo! (la edad del Universo se estima en 4.35 1017 s).

Combinando ambas analogías y teniendo en cuenta la velocidad de la luz (300.000.000 km/s), podemos decir que VEGA emitirá “balas de luz” de 30 micras de longitud (1 micra=10-6 m) con una tasa de repetición de 1 Hz (es decir un disparo por segundo) y una potencia pico mayor que la del parque automovilístico mundial.

Vale, ya tenemos el láser, ¿cómo podemos acelerar partículas? Pasemos al siguiente apartado.

Aceleración de partículas cargadas por láser

El asunto es bien sencillo; imaginemos una lámina delgada de cualquier material sobre la que incide un láser ultraintenso. Es decir, un láser de cientos de TW (teravatios) o PW (petavatios) de potencia pico. Como el láser es tan intenso, la primera parte del pulso, incluso antes de que se alcance el máximo del láser, es más que suficiente para generar un plasma del blanco en el que lo estamos focalizando. Es decir, los primeros estadíos del pulso láser ionizan completamente, “revientan” si queremos ser un poco más expresivos, átomos y moléculas del target produciendo una “sopa” de protones, electrones, átomos y moléculas altamente ionizados.

Esquema aceleración-1Una vez generado este plasma, los campos eléctricos y magnéticos de la parte principal del pulso láser producen una primera eyección de electrones en la dirección perpendicular al target. Salen primero los electrones porque son partículas muchísimo más ligeras que los protones y otros átomos y/o moléculas que puedan estar presentes en el plasma. Este “bunch” de electrones tiene una duración temporal similar a la del pulso láser que los ha generado, es decir decenas de fs, y temperaturas electrónicas, lo que es equivalente a energía, del orden de centenas de keV.

Al abandonar los electrones el target, la muestra queda cargada positivamente (recordemos que los electrones tienen carga negativa) lo que induce la eyección de un segundo “bunch”, esta vez de protones, por repulsión electrostática. Estos protones emitidos se ven adicionalmente acelerados por el campo eléctrico que se ha generado entre el target y el “bunch” de electrones que salió previamente. Dicho de otro modo, los electrones “tiran” de los protones y los aceleran. De igual forma que para los electrones, el “bunch” de protones tiene una duración temporal del orden de la duración del pulso.

 

Protones gráfico

Acabado el proceso de interacción entre el láser y el target, el haz de electrones se puede deflectar mediante un simple imán consiguiendo por un lado la generación por Bremsstrahlung de pulsos de Rayos X (recordemos que las partículas cargadas al cambiar de dirección emiten radiación) y por otro aislar el haz de protones para su uso posterior.

A lo largo de este post hemos discutido como la nueva generación de láseres ultracortos (decenas de femtosegundos) y ultraintensos (del orden de PW) ha permitido el desarrollo de nuevos esquemas de aceleración de partículas cargadas. Esto resulta muy importante ya que la aceleración de partículas parecía un campo restringido a los grandes aceleradores. Con estos esquemas basados en láser no solo se puede conseguir una reducción en tamaño y precio, la tecnología láser sigue avanzando de forma incesante con el consiguiente abaratamiento de costes, sino que también se pueden conseguir haces con una intensidad instantánea difícilmente igualable. La siguiente pregunta es clara. De acuerdo, se pueden conseguir haces ultracortos y muy brillantes de protones, electrones y rayos X: “¿y esto para qué sirve? ¿qué aplicación tiene?” Pues iremos a ello en un próximo post también en Desayuno con Fotones …..

 

9 Respuestas a “Aceleración de partículas cargadas por láser: presente, futuro y aplicaciones (1 de 2)

  1. Enhorabuena por el post, Álvaro, y por el trabajo que desarrolláis en vuestro grupo. Bienvenido al blog.
    Hay algo que no termino de ver en el proceso de aceleración. Supongo que la dinámica de los “bunchs” será bastante complicada, pero ¿como pueden los electrones, tan ligeros, “tirar” del bunch de protones? más se esperaría que sean los protones los que “frenen” el paquete electrónico ¿no?

    Espero la segunda parte para preguntarte si crees que llegaremos a verlos instalados para uso clínico…

    • Gracias Manuel por tus comentarios. Como bien dices la dinámica de estos “bunches” es bastante complicada, pero como respuesta a tu pregunta tienes que considerar que:

      1) Los electrones son mucho más ligeros que los protones y por tanto salen “disparados” del target en una escala temporal en la que los protones están “congelados”

      2) Al emitirse los electrones, el target tiene un exceso de carga positiva produciendose la repulsión entre cargas, lo que se conoce como explosión de Coulomb. Esta “explosión” es la que da origen a la emisión del bunch de protones.

      Espero haber contestado a tu pregunta. En la próxima entrada creo que vamos a discutir largo y tendido… :-)

      • OK. Gracias Álvaro. En una primera lectura me dio la sensación de que se hacía especial énfasis en la aceleración por atracción de los electrones. En una segunda lectura veo que ya lo dejabas bien claro en tu post.

  2. Yo tengo la misma duda que Manuel Vilches, pero supongo que para dar una explicación más o menos sencilla y sin matemáticas será inevitable sobresimplificar algunas cosas.

    En la velocidad de la luz creo que hay una errata (es rápida pero no tanto).

    Enhorabuena por el post.

  3. Ya puestos ¿no sería posible aprovechar también los bunches de electrones?. ¿No se podrían acelerar protones y electrones en la misma instalación?

    ¿Cuál es la energía o la profundidad que pueden alcanzar los protones acelerados de ese modo?. Los equipos actuales de protonterapia tienen energías máximas del orden de 200 MeV. Si interpreto bien la gráfica de arriba, parece que incluso con láseres de extrema potencia (1 PW) la energía máxima de los protones sería de aproximadamente 100 MeV, que ya sería utilizable para algunas localizaciones pero seguiría por debajo de los sistemas actuales y por tanto entiendo que tendría indicaciones más limitadas.

    • Efectivamente si deflectamos los electrones con un iman, podemos conseguir pulsos de rayos X. De hecho recientemente, mediante otra técnica pero también basada en láseres, en el centro donde trabajo (www.clpu.es) el CSN ha licenciado la primera instalación de rayos X generados por láser en España
      http://www.clpu.es/downl.php?f=ZG93bmxvYWQvZG9jdW1lbnRzL0JvbGV0aW5lcyBkZWwgQ1BMVS9Cb2xldMOtbiBkZWwgQ0xQVSBuwrogMTUucGRm&fn=ZG93bmxvYWQvZG9jdW1lbnRzL0JvbGV0aW5lcyBkZWwgQ1BMVS9Cb2xldMOtbiBkZWwgQ0xQVSBuwrogMTUucGRm

      Fue muy curioso cuando vinieron la gente del CSN porque nuestra instalación no tiene nada que ver con lo que habitualmente tienen que visitar.

      Con respecto a tu segunda pregunta, la verdad es que nadie tiene claro donde está el límite. Una buena aproximación es la gráfica que ilustra el post, aunque la energía máxima depende de forma crítica del target que se use y de las características de este. Hoy en día hay muchos grupos trabajando, nosotros mismos por ejemplos, no solo en desarrollar targets más eficientes, sino también en sustituir los targets sólidos que presentan muchos problemas, e.g., debris, baja tasa de repetición, por targets gaseosos o incluso líquidos. Mi apuesta personal es por los targets líquidos, ya que tienen una densidad más cercana al sólido aunque hay importantes problemas técnicos. Ten en cuenta que todo lo que he presentado hay que hacerlo a vacío, unos 10-6 mbar, y meter un jet líquido a vacío no es tarea sencilla. Hay que seguir trabajando duro.

      Un saludo!

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