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La captación de imágenes de haces responde al reto de los aceleradores sofisticados

Nuevas técnicas, entre las que figuran la captación de imágenes con radiación óptica y la captación de imágenes no invasiva con radiación coherente espacialmente, pueden proporcionar mediciones detalladas de haces y optimizar el rendimiento de los aceleradores de partículas en distintas situaciones.
La captación de imágenes de haces responde al reto de los aceleradores sofisticados
Los sistemas de diagnóstico de haces son elementos esenciales en todos los aceleradores de partículas. Sin elementos de diagnóstico, sería imposible utilizar los aceleradores lineales en la radioterapia contra el cáncer, por no mencionar el mayor destructor de átomos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones. Tales elementos sirven para revelar las propiedades de un haz de partículas y mostrar cómo se comporta dentro del complejo del acelerador.

El proyecto DITA-IIF (Investigations into advanced beam instrumentation for the optimization of particle accelerators), financiado por la Unión Europea, se dedicó a avanzar en la técnica del diagnóstico de haces a partir de la luz emitida por un haz de partículas cargadas.

«Existen muchos tipos de técnicas diagnósticas de haces, algunas basadas en la detección directa de las cargas y las corrientes inducidas por el haz. DITA-IIF fue un proyecto de investigación destinado a avanzar en el diagnóstico de la radiación óptica o cuasi óptica», explicó el Prof. Carsten Welsch, de la Universidad de Liverpool (Reino Unido) y coordinador del proyecto.

Captación de imágenes de radiación óptica

El equipo de DITA-IIF, bajo la dirección del Dr. Ralph Fiorito, del Cockcroft Institute de la Universidad de Liverpool, desarrolló un nuevo algoritmo para analizar la radiación de transición óptica que se genera cuando un haz atraviesa una lámina delgada. En particular, la forma de la imagen de la radiación de la transición óptica medida, la función de fuente puntual, de un solo electrón, se utiliza para calcular el tamaño del haz. Con el fin de lograr una precisión submicrométrica, se aíslan y eliminan los artefactos artificiales, como aberraciones y desalineaciones.

«Actualmente, el nuevo método se utiliza para mejorar la resolución de sistemas ópticos desarrollados para formar imágenes de haces de tamaño micrométrico generados por la Accelerator Test Facility de la High Energy Accelerator Research Organisation de Tsukuba (Japón)», indica el Prof. Welsch.

Además, los investigadores han desarrollado una nueva técnica de captación de imágenes de haces basada en una matriz de microespejos controlados electrónicamente. Este procesador digital de la luz ofrece una máscara óptica que sirve para eliminar la radiación óptica procedente del núcleo del haz y añadir la imagen resultante a la del halo exterior. Como filtro espacial, mitiga la difracción de la luz alrededor de los sistemas ópticos que se utilizan para captar la imagen del haz.

Con el fin de evaluar el rendimiento de estos sistemas de captación de imágenes de haces, actualmente los investigadores comparan las mediciones realizadas en el laboratorio con los resultados de simulaciones realizadas con Zemax Optical Studio. El Prof. Welsch añade que «este estudio comparativo no solo mejorará nuestros conocimientos del método de captación de imágenes de haces, sino de cualquier procesador digital de luz de los que se utilizan para captar imágenes médicas o astronómicas, así como aplicaciones de teledetección».

Captación de imágenes de radiación coherente no invasiva

El equipo de DITA-IIF avanzó un paso más con la propuesta de un método nuevo de captación de imágenes de haces a partir de medidas de la radiación coherente que se genera cuando los electrones atraviesan una abertura. Para recuperar la longitud del haz, se captura y analiza la distribución angular y espacial de la radiación coherente difractada.

Los investigadores pudieron captar la imagen de la función de fuente puntual de la radiación coherente difractada en el régimen de longitudes de onda de terahercios. Utilizando el haz de electrones de 20 GeV que se genera en la Facility for Advanced Accelerator Experiment Tests (FACET) de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, también se demostró la falta de contaminación de otras fuentes de radiación.

Además de abordar los retos de la captación de imágenes de haces de alta energía, «las técnicas de diagnóstico desarrolladas en DITA-IIF ofrecen perspectivas excelentes para aplicaciones en una amplia gama de aceleradores y fuentes de luz. Proporcionan más resolución de la forma menos invasiva posible y suponen un cambio radical a la hora de caracterizar en detalle un haz de partículas cargadas», concluye el Prof. Welsch.

Palabras clave

Imágenes de haces, captación de imágenes de radiación coherente, aceleradores de partículas, DITA-IIF, fuentes de luz
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