Rayos X generados por láser

A veces, de hecho casi siempre, la legislación va muy retrasada con respecto a la sociedad. Si esto ya resulta muy significativo en el ámbito de los derechos sociales, cuando nos referimos a asuntos científicos el desfase llega a ser incluso vergonzante. Un ejemplo de todo esto lo encontramos en la definición que se hace de radiación ionizante de acuerdo a nuestra legislación vigente (REAL DECRETO 783/2001, de 6 de julio, por el que se aprueba el Reglamento sobre protección sanitaria contra radiaciones) publicado el 26 de julio de 2001.

Esta definición en lo relativo a radiación electromagnética hoy en día está completamente obsoleta. El problema radica en que está basada en la idea de que la ionización de un átomo se produce sólo y exclusivamente por la absorción de un solo fotón cuya energía es mayor que el potencial de ionización. El efecto fotoeléctrico es un buen ejemplo de esta concepción.

Sin embargo el incesante desarrollo de los láseres, permitiéndonos concentrar grandes cantidades de energías en áreas muy pequeñas, hace tiempo que abrió la puerta a otro tipo de fenómenos donde varios fotones son absorbidos de forma simultánea para producir la ionización. No siendo necesario por tanto que el fotón tenga una energía mayor que el potencial de ionización. Es decir, hemos pasado de un proceso lineal como es la absorción de un solo fotón a procesos no-lineales basados en ionizaciones multifotónicas.

En este escenario parece claro que la definición de radiación ionizante no puede depender sólo de la energía del fotón, sino que también debe depender de la intensidad de la radiación con la que estemos tratando.

Pero la historia no acaba aquí. Mediante el uso de radiación “no ionizante” no sólo es posible ionizar la materia si la intensidad es lo suficientemente elevada, sino que también es posible generar “radiación ionizante”. Es decir, es posible generar radiación ultravioleta, ultravioleta de vacío e incluso rayos X. Mientras que las dos primeras técnicas son habituales en muchos laboratorios, la generación de rayos X por láser es relativamente reciente y es un campo muy amplio que aún está por explorar. De hecho en 2014 el Consejo de Seguridad Nuclear licenció la primera instalación de rayos X generados por láser (IRA Nº 3254) en España al Centro de Láseres Pulsados (CLPU).

La generación de rayos X mediante láseres se produce cuando un láser ultracorto y ultraintenso se focaliza en un material (en principio cualquier material) alcanzado intensidades del orden de 10 ¹⁶ Wcm^-2. En el CLPU el láser que utilizamos tiene las siguientes características: Ti:Zafiro, 800 nm, 1 mJ de energía por pulso, 1 kHz de tasa de repetición, y 120 fs (1 fs=10^-15 s) de duración temporal. Como comentábamos antes, la longitud de onda pertenece a la zona infrarroja del espectro electromagnético, pero lo importante son las altísimas intensidades que se pueden alcanzar. En este régimen de intensidad la materia se ioniza completamente, es decir “se rompe” en iones y electrones, produciéndose lo que llamamos un plasma.

Si la intensidad alcanzada es lo suficientemente alta, la generación del plasma se produce en los primeros estadios del pulso láser, es decir, antes de que se alcance el máximo de energía. Así el plasma generado en los primeros instantes de la interacción puede acoplarse con la parte restante del pulso láser y de esta forma ganar energía. De una manera más precisa, una vez que se genera el plasma los electrones de éste son extraídos por el campo eléctrico del láser, acelerados y re-inyectados en el plasma generándose así rayos X (recordemos que la luz es una onda electromagnética y los campos eléctricos y magnéticos oscilan).

La generación de rayos X mediante este método tiene dos componentes muy diferenciadas: por un lado tenemos la emisión de rayos X de frenado (o Bremsstrahlung) debido a la pérdida de energía de los electrones una vez son re-inyectados en el plasma, y por otro la líneas características del material que estemos usando como blanco. En este último caso, los electrones acelerados generan vacantes en las capas más internas del material mediante ionización por impacto electrónico que son ocupadas por electrones de capas superiores, produciéndose así la emisión de los rayos X característicos del material.

Es importante señalar que no sólo se produce la emisión de rayos X sino que ésta va acompañada de una emisión de electrones con una distribución maxwelliana de energías que se estima en torno a los 15 keV, aunque se pueden observar electrones de hasta 300 keV. La siguiente gráfica refleja un espectro típico de los rayos X obtenidos. En ella se observan los rayos X característicos del cobre, material utilizado como blanco, y el Bremsstrahlung.

Las diferencias de la generación de rayos X mediante interacción láser-materia con respecto a las técnicas habituales (tubos de rayos X o radiación sincrotrón) son fundamentalmente dos. Por un lado, disponemos de una fuente puntual de radiación. Cuando enfocamos nuestro láser con un objetivo de microscopio, podemos llegar a tener un foco de hasta 1 micra de radio, aunque en la práctica la alta intensidad del láser da lugar a fenómenos no lineales en la propagación limitando considerablemente el tamaño de foco. Aún así, es lo suficientemente pequeño (del orden de 200 micras) cómo para producir radiografías de una alta resolución. En la imagen, por ejemplo, podemos ver la radiografía que se hizo con este sistema a una xylocopa purpurea (abejorro carpintero europeo)

Otra ventaja de esta fuente es la duración temporal. Recordemos que la duración temporal del pulso láser es de unos 130 fs, siendo esta la escala temporal en que se están acelerando los electrones en el blanco. De esta forma tanto la radiación X como los electrones acelerados se producen en “paquetes” con una duración temporal similar a la del pulso láser.

Esto abre la puerta principalmente a dos fenómenos: por un lado, en tiempos tan cortos la disipación de calor es totalmente despreciable y, por otro, permite la inducción de procesos no lineales.

• Nula disipación de calor: Si tenemos en cuenta que la vibración de las moléculas es del orden de decenas de fs, al interaccionar radiación ultracorta con la materia esta está “congelada”. Los núcleos atómicos están inmóviles solo teniendo lugar el movimiento electrónico que se produce en una escala de tiempos aún inferior (la escala de los atosegundos 1 as=10^-18 s). Por tanto es posible depositar energía de forma muy localizada en un punto, sin que exista una disipación efectiva de esta en forma de calor en los alrededores.
• Daño no lineal: Al concentrar toda la radiación en un instante muy corto de tiempo, los flujos instantáneos son muy altos maximizándose por tanto la probabilidad de los procesos no lineales. En otras palabras, se maximiza la probabilidad de que por ejemplo un tejido biológico absorba más de un fotón simultáneamente.

Estos dos fenómenos hacen de la generación de rayos X por láser una fuente de radiación novedosa, con unas características muy distintas de las fuentes habituales, que puede dar pie a nuevas técnicas de radioterapia.

¿Tiene alguna ventaja concentrar toda la dosis en un tiempo ultracorto? ¿Podemos obtener algún tipo de información temporal de los primeros fenómenos de excitación molecular en tejidos? ¿Es la disipación de calor un factor limitante? ¿Existe algún beneficio al usar este tipo de fuentes a la hora de un tratamiento de radioterapia? Desgraciadamente, a estas y muchas otras preguntas hoy por hoy no podemos contestar. Pero estamos seguros que estaréis de acuerdo con nosotros en que es un camino que merece la pena explorar. Seguiremos informando ☺.

Nota: Esta entrada ha sido escrita de forma conjunta con Fran Valle (@DarthLaseris), que es uno de los responsables de la estación de rayos X