Ondulador para niños
Un ondulador es un aparato especial que se usa en los aceleradores de partículas. Imagina una fila de imanes colocados de forma que sus polos se alternan. Esto crea un campo magnético que cambia de dirección una y otra vez.
Cuando un rayo de partículas cargadas, como los electrones, pasa por este campo magnético, los electrones se mueven en zigzag. Al hacer esto, emiten una luz muy brillante llamada radiación sincrotrón.
Esta luz es especial porque las ondas de luz de diferentes partes del zigzag se unen y se hacen más fuertes. Esto crea rayos de luz muy potentes en ciertas longitudes de onda. Esta luz es súper útil para estudiar cómo están hechos los materiales, sus propiedades y también para algunas cosas en medicina.
Contenido
Historia de los Onduladores
¿Quién inventó el ondulador?
La idea de cómo funcionan los onduladores fue desarrollada por un científico llamado Vitalii Ginzburg en 1947, en la antigua Unión Soviética.
Los primeros onduladores y su desarrollo
En 1953, Hans Motz y su equipo construyeron el primer ondulador. Con él, lograron producir luz visible usando un rayo de electrones de 100 MeV (megaelectronvoltios) de un acelerador lineal de partículas en Stanford.
Después de esto, se construyeron más onduladores en lugares como Moscú y Tomsk. Gracias a estos primeros aparatos, los científicos pudieron entender mejor las características de la luz que emitían, como su brillo, los colores que producía y cómo se distribuía.
Onduladores con imanes permanentes
En 1980, Klaus Halbach creó un ondulador usando imanes permanentes en lugar de electroimanes o imanes superconductores. Su diseño permitió que los imanes estuvieran más cerca, creando un campo magnético que cambiaba rápidamente. Esto era perfecto para producir luz con longitudes de onda muy cortas, como los rayos X.
Este ondulador, instalado en el sincrotrón de Stanford, pudo producir rayos X con energías entre 3 y 7 keV (kiloelectronvoltios).
Onduladores para estudios especiales
Los onduladores como el de Halbach producen luz que vibra en una sola dirección (luz polarizada). Pero para estudiar materiales magnéticos, a veces se necesita luz que vibre de forma elíptica. Esto requiere que los electrones se muevan en espiral en lugar de solo en zigzag.
Fue un desafío construir onduladores para esto, pero con la llegada de los sincrotrones de tercera generación a finales del siglo XX, que tienen rayos de electrones más pequeños y controlados, se pudieron desarrollar nuevos diseños de onduladores que producen la luz con las propiedades de polarización deseadas.
¿Cómo funcionan los Onduladores?
El movimiento de los electrones y la luz
En los sincrotrones, los electrones se mueven en un círculo. Cuando pasan por un ondulador, este los obliga a moverse en un zigzag o en espiral. Este movimiento especial hace que los electrones emitan luz de una manera muy particular.
Hay dos tipos de dispositivos similares: los wigglers y los onduladores. La diferencia principal es cuánto desvían los electrones de su camino. En un ondulador, la desviación es pequeña, lo que permite que la luz emitida por los electrones en diferentes puntos de su trayectoria se una y se haga más fuerte.
La luz brillante de los onduladores
Debido a esta unión de la luz (llamada interferencia), los onduladores producen una luz muy intensa y concentrada en ciertas longitudes de onda. La longitud de onda principal de esta luz depende de la distancia entre los imanes del ondulador y de la energía de los electrones.
Por ejemplo, un ondulador con 50 imanes puede producir una luz mucho más brillante y potente que la luz que se obtiene de otras partes de un sincrotrón. Esto es como tener una linterna súper potente en lugar de una normal.
Láseres de electrones libres
La luz de un ondulador puede hacerse aún más intensa si los electrones se agrupan en "paquetes" muy pequeños y ordenados. Esto se llama microbunching. Se puede lograr inyectando un rayo láser junto con los electrones o diseñando el ondulador para que los electrones se agrupen solos.
Cuando los electrones están agrupados de esta manera, emiten luz al mismo tiempo, como si fueran un solo emisor gigante. Esto hace que la luz sea increíblemente brillante y muy parecida a la de un láser. Por eso, estos dispositivos se llaman láseres de electrones libres.
Aplicaciones de los Onduladores
La luz tan intensa y especial que producen los onduladores es muy útil para la ciencia y la tecnología. Permite:
- Estudiar materiales: Los científicos pueden analizar cómo están hechos los materiales, incluso si son muy pequeños o si hay muy poca cantidad. Esto es útil para crear nuevos materiales o entender los existentes.
- Investigar reacciones químicas: Se pueden observar las reacciones químicas mientras ocurren, en tiempo real. Esto ayuda a entender mejor cómo funcionan los procesos químicos.
- Aplicaciones médicas: También se usan en algunas áreas de la medicina para investigación y desarrollo de nuevas técnicas.
Galería de imágenes
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Onduladores del láser de electrones libres del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
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Diagrama del ondulador diseñado por Halbach. Las flechas sobre los bloques de imanes indican la dirección de la magnetización.
Véase también
En inglés: Undulator Facts for Kids
