Reunión de AUSE, Torremolinos (Málaga),
5-6 Febrero, 2004
Informe de la Mesa de Trabajo:
“Una Línea de Rayos Gamma para Física
Nuclear y Aplicaciones en AURORA”
Coordinador: J. L. Taín
Instituto de Física Corpuscular
CSIC-Univ. Valencia, Apdo. Correos 22085, E-46071 Valencia
Se propone la construcción de una línea de haz de
rayos gamma con energías de hasta unos 500 MeV. Se
trata de una línea de uso múltiple para ser empleada en experimentos de Física
Nuclear y diversas aplicaciones.
Introducción.
La optimización de los recursos
científico-técnicos disponibles, hace muy deseable el aprovechamiento de la
infraestructura que se creara en el Laboratorio de Luz Sincrotrón del Vàlles, para otros usos que no sean los tradicionales en un
sincrotrón de estas características. Nosotros proponemos la construcción de una
línea de haz de rayos gamma energéticos asociada al sincrotrón AURORA, que
encontraría su aplicación en el campo de la Física Nuclear Básica o Aplicada.
Existen algunas instalaciones de este tipo en el mundo, pero en Europa no
existe ninguna en el rango de energías que proponemos.
Descripción de la línea
Los rayos gamma se producen por retro-dispersión Compton de luz láser en los electrones circulando por el anillo. En un estudio preliminar[†] se han mostrado las principales características que tendría el haz producido. Los fotones del láser se hacen colisionar con los electrones en una de las secciones rectas del anillo, entre los imanes deflectores. Los rayos gamma resultantes están enfocados en la dirección de los electrones. El haz producido tiene un espectro de energías “blanco” entre cero y una energía máxima definida por la energía de los electrones y la longitud de onda del láser. El uso de distintas fuentes láser permite por tanto optimizar distintos tipos de medidas. Así se puede obtener, sin perturbar el funcionamiento de la máquina, un haz de rayos gamma muy intenso (Ig > 109 g/s) a bajas energías (Egmax < 40 MeV), y con intensidad moderada (Ig ~ 106 g/s) a altas energías (Egmax < 500 MeV). Además a través del láser, el haz es fácilmente polarizable, tanto lineal como circularmente. La selección de la energía de los rayos gamma se realiza de dos modos distintos. A bajas energías se utiliza el método de colimación. En este caso la mejor resolución se obtiene para 0° y el uso de un láser de longitud de onda variable nos permitirá obtener un haz casi-monocromático de energía variable. A altas energías se utiliza el método del etiquetado, en que se mide la energía del electrón dispersado. Esto se lleva a cabo por análisis magnético, usando el siguiente imán deflector del anillo y colocando a su salida un detector de silicio de micro-bandas próximo al haz.
En comparación con un haz de
fotones de bremsstrahlung,
este tipo de haz poseería la ventaja de un espectro de energías casi-blanco
frente al característico 1/E de la fuente de bremsstrahlung, y el alto grado de polarización tanto
lineal como circular, fácilmente invertible.
Interés científico-técnico
El amplio rango energético de un haz
de rayos gamma con estas características permite cubrir un abanico de
aplicaciones diversas.
Experimentos de interés en Física Nuclear. Podríamos mencionar: 1) estudios de la estructura nuclear de estados ligados a bajas energías, mediante excitaciones dipolares (y cuadrupolares) usando la técnica de la fluorescencia resonante, 2) estudios de resonancias gigantes (modos colectivos nucleares) mediante la detección de particulas (n, p, a, …) emitidas, 3) medidas de reacciones de tipo (g,X) de interés en astrofísica nuclear, 4) estudio de corrientes mesónicas de intercambio mediante reacciones de emisión de nucleones a energías intermedias, 5) estudio de efectos sub-nucleónicos en reacciones de emisión de piones, y 6) estudio de la interacción pión-materia nuclear, en átomos piónicos.
Obtención de datos nucleares para aplicaciones. Las bases de datos de reacciones foto-nucleares de interés en tecnología nuclear, dosimetría y protección radiológica, presentan importantes lagunas, como reconocen las instancias competentes (IAEA y NEA).
Aplicaciones en Medicina. Investigación de aspectos de la terapia
con fotones.
Aplicaciones industriales. Podríamos destacar: 1) la inspección interna y no-destructiva de objetos usando un haz casi-monocromático de unos 10 MeV, que posee máxima penetración en la materia, mediante la técnica de la tomografía computerizada, y 2) el análisis elemental no-destructivo de objetos usando un haz de espectro “blanco” de baja energía mediante la técnica de la fluorescencia resonante nuclear.
Instrumentación. Un haz de rayos gamma intenso y casi-paralelo, con un espectro energético “blanco” o, alternativamente, casi-monocromático, es una herramienta ideal para comprobar o calibrar detectores de fotones para Física Nuclear y de Partículas, Astrofísica y otras aplicaciones.
Conclusiones
Diversos grupos españoles, del CIEMAT, el CSIC, la U. C. Madrid, la U. P. Cataluña, la U. Granada, la U. Huelva, la U. Salamanca, la U. Santiago de Compostela, la U. Sevilla y la U. Valencia, están interesados en explotar las posibilidades científicas y técnicas que proporcionaría una línea de haz de estas características. Se ha formado un grupo de trabajo (ver lista detallada en el Apéndice) para elaborar una propuesta detallada. El diseño definitivo de la línea requiere de un diseño definitivo del trazado del sincrotrón y ha de hacerse en conjunción con los especialistas de la máquina. Diversas posibilidades de fuentes de luz láser se están considerando, en particular fuentes de longitud de onda continuamente variable. Así mismo se están estudiando las alternativas de detectores sensibles a la posición para el sistema de etiquetado susceptibles de soportar las altas dosis de radiación en la proximidad del haz. Se esta elaborando una lista de experimentos o aplicaciones que puedan ser acometidos de forma inmediata y otros que puedan serlo en desarrollos posteriores, así como la infraestructura requerida para llevarlos a cabo.
La elaboración de la propuesta, incluyendo los detalles adecuados de índole científica, técnica y económica, será coordinada por J. L. Taín (CSIC-Valencia), …, y …. , y será presentada para su evaluación en el plazo establecido.
APENDICE
Listado de
participantes en el grupo de trabajo
[†] “A Photo-nuclear Physics Facility for the Laboratory of the Synchrotron at Barcelona”, J.L. Tain, Report IFIC 96/57, 1996