Línea de haz: definición, componentes, historia y aplicaciones

En los aceleradores de partículas, la línea de haz suele estar alojada en un túnel y/o bajo tierra, encajada dentro de una carcasa de cemento. La línea de haz suele ser metálica y cilíndrica. Los nombres típicos incluyen, tubo de haz, y/o una sección en blanco llamada tubo de deriva. Toda esta sección debe estar bajo un buen vacío para que el haz se desplace durante una larga distancia.

Un equipo de reconocimiento y alineación alinea cuidadosamente los segmentos de las líneas de luz utilizando un rastreador láser. Todas las líneas de haz deben estar dentro de una tolerancia de micrómetros. Una buena alineación ayuda a evitar la pérdida de haces y que éstos choquen con las paredes de la tubería, lo que genera emisiones secundarias y/o radiación.

En lo que respecta a los sincrotrones, una línea de haz es la instrumentación que lleva haces de radiación sincrotrón a una estación final experimental, que utiliza la radiación producida por los imanes de curvatura y los dispositivos de inserción en el anillo de almacenamiento de una fuente de luz sincrotrón. Una aplicación típica de este tipo de línea de luz es la cristalografía. Los científicos también utilizan la luz de sincrotrón de muchas otras maneras.

Un gran laboratorio de sincrotrón tendrá muchas líneas de haz, cada una optimizada para un campo de investigación concreto. Las diferencias dependerán del tipo de dispositivo de inserción (que, a su vez, determina la intensidad y la distribución espectral de la radiación); del equipo de acondicionamiento del haz; y de la estación final experimental. Una línea de haz típica en un sincrotrón moderno tendrá una longitud de 25 a 100 m desde el anillo de almacenamiento hasta la estación final, y puede costar hasta millones de dólares estadounidenses. Por esta razón, una instalación de sincrotrón se construye a menudo por etapas, con las primeras líneas de luz al comienzo de la operación, y otras líneas de luz que se añaden más tarde a medida que la financiación lo permite.

Los elementos de la línea de haz se encuentran en recintos de blindaje contra la radiación, llamados conejeras, que tienen el tamaño de una pequeña habitación (cabina). Una línea de haz típica consta de dos conejeras, una conejera óptica para los elementos de acondicionamiento del haz y una conejera experimental, que alberga el experimento. Entre las conejeras, el haz viaja en un tubo de transporte. No se permite la entrada de personas en las conejeras cuando la persiana del haz está abierta y la radiación puede entrar en la conejera. Las conejeras disponen de complejos sistemas de seguridad con funciones de enclavamiento redundantes para asegurarse de que no hay nadie dentro de la conejera cuando se enciende la radiación. El sistema de seguridad también apagará el haz de radiación si la puerta de la conejera se abre accidentalmente cuando el haz está encendido. En este caso, el haz se apaga descargando el haz de electrones que circula por el sincrotrón. Así, la apertura de una puerta apagará todas las líneas de haz de la instalación.

Los experimentadores utilizan los siguientes elementos que se emplean en las líneas de haz para acondicionar el haz de radiación entre el anillo de almacenamiento y la estación final:

• Ventanas: finas láminas de metal, a menudo de berilio, que transmiten casi todo el haz, pero protegen el vacío dentro del anillo de almacenamiento de la contaminación
• Ranuras - que controlan la anchura física del haz y su dispersión angular
• Espejos de enfoque: uno o varios espejos, que pueden ser planos, curvados o toroidales, que ayudan a colimar (enfocar) el haz
• Monocromadores: dispositivos basados en la difracción por cristales que seleccionan determinadas bandas de longitudes de onda y absorben otras, y que a veces son sintonizables a longitudes de onda variables, y a veces se fijan a una longitud de onda determinada
• Tubos espaciadores: tubos de mantenimiento del vacío que proporcionan el espacio adecuado entre los elementos ópticos y apantallan cualquier radiación dispersa
• Etapas de la muestra - para montar y manipular la muestra en estudio y someterla a diversas condiciones externas, como la variación de la temperatura, la presión, etc.
• Detectores de radiación - para medir la radiación que ha interactuado con la muestra

La combinación de dispositivos de acondicionamiento del haz controla la carga térmica (el calentamiento causado por el haz) en la estación final; el espectro de la radiación que incide en la estación final; y el enfoque o la colimación del haz. Los dispositivos situados a lo largo de la línea de haz que absorben una potencia significativa del haz pueden necesitar ser refrigerados activamente por agua, o nitrógeno líquido. Toda la longitud de una línea de haz se mantiene normalmente en condiciones de ultra alto vacío.

Una estación final experimental en una instalación de neutrones se denomina línea de haz de neutrones. Superficialmente, las líneas de haz de neutrones se diferencian de las líneas de haz de radiación sincrotrón sobre todo por el hecho de que utilizan neutrones de un reactor de investigación o de una fuente de espalación en lugar de fotones. Los experimentos suelen medir la dispersión de neutrones de la muestra en estudio.

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