Aprovechando la Luz de un Millón de Soles
El acero inoxidable contribuye a la realización de un vacío perfecto. Por Carroll McCormick
Revista de Níquel, Marzo 2005 -- Los microscopios necesitan luz y una de las fuentes más poderosas de luz en el mundo recientemente entró en operación.
Localizado en la Universidad de Saskatchewan, Canadá, el synchroton como es conocido, produce electrones que emiten luz millones de veces más brillante que la luz del sol en la tierra. Los investigadores utilizan la luz para el diseño y desarrollo de proyectos industriales.
El synchroton no es un microscopio de mesa de trabajo: su complejo sistema de cámaras de ultra-alto-vacío ocupa una superficie de 6,800 metros cuadrados de una superficie total de 12,700 metros cuadrados de las instalaciones de la Canadian Light Source (CLS).
Los aceros inoxidables, de los cuales, los grados más comunes son el S30400, S30403 y el S31603, son utilizados enormemente en las cámaras de vacío, al igual que en algunas aplicaciones especiales apoyados por la aleación K93600 que proporcionan estabilidad dimensional en algunos sistemas ópticos.
La necesidad de obtener un vacío de 10-11 Torr (un millón de millón de veces menos que a presión atmosférica a nivel del mar) determina la selección de materiales. Este objetivo es un reto: el CLS empezó a operar en octubre del 2004, sin embargo, deberá pasar un año entero para que se logre obtener el ultra alto vació deseado.
Para alcanzar un vacío es necesario remover tantas moléculas como sea posible. Las impurezas no solamente retardan el haz de electrones, también lo difractan, algo similar a la niebla que se esparce en la luz de los automóviles. Algunos synchrotons han sido fabricados con cobre o aluminio, sin embargo, es más rutinario desde el punto de vista de fabricación utilizar acero inoxidable, dice Mark de Jong, Director de Operaciones de la CLS.
Los componentes de las cámaras de vacío deben tratarse en enormes hornos por períodos de tiempo cercanos a las 40 horas a temperaturas de hasta 250°C. El aluminio empieza a perder resistencia a los 150°C, en cambio, el acero inoxidable no sufre este fenómeno; un atributo crítico si consideramos que los componentes se tratan al vacío. "El acero inoxidable no disminuye sus propiedades bajo la acción de las presiones típicas utilizadas para el tratamiento de los componentes," afirma Mark de Jong.
El tratamiento expele los gases absorbidos durante la fabricación, tales como vapor de agua, argón, oxígeno, helio, nitrógeno, hidrógeno y monóxido de carbono. De igual manera, los componentes metálicos se lavan como parte del proceso de desengrasado. Dice Mark de Jong: "Queremos evitar que se forme cualquier hidrocarburo en el interior."
La Johnsen Ultravac con base en Ontario, Canadá, emplea acero inoxidable tipo S30400 en algunas cámaras de vacío que fabrica. El costo de esta aleación es bajo, comparado con otros materiales. Es fácil de maquinar y soldar y suficientemente duro que puede acoplarse en los empaques de cobre. Muchos accesorios del synchroton, tal y como las bombas de iones, válvulas y bridas, son siempre de acero inoxidable, simplificando de este modo la ingeniería de fabricación.
Como Funciona el Synchroton
La CLS produce luz de longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un investigador puede usar una luz con una longitud de onda que le permita iluminar especimenes a 100 nanómetros de resolución espacial. Otro querrá una luz que interactúe con las muestras, por decir, para determinar la composición química de muestras ambientales en tamaños de espécimen de 2 x 2 micrones. Todavía otro emplearía la litografía de rayos X para grabar tablas de circuitos o para cortar diapasones de tamaño microscópico.
Los electrones son creados y almacenados en una serie de cámaras de vacío. La primera, un bombardero de electrones (esencialmente un condensador grande), produce los electrones y los envía a un acelerador lineal. Este los acelera a 250 millones de electrón volt y 99.9 % la velocidad de la luz.
Posteriormente el haz de electrones entra a un Anillo de Empuje (AE) de 100 metros de circunferencia fabricada de acero inoxidable tipo S30403. La sección transversal de forma elíptica tiene 82.2 milímetros de ancho y 32 milímetros de alto, con un espesor de pared de 1.6 milímetros. El AE se elabora rolando tubo de 60.3 milímetros de diámetro hasta obtener la forma deseada. Una poderosa rampa de ondas de radio eleva la energía del haz de electrones en el interior del AE hasta 2.9 billones de electrón-volts, con una aceleración del 99.999999% la velocidad de la luz.
Después el haz de electrones es dirigido hacia un anillo de almacenamiento (AA) de 171 metros de circunferencia. También de forma elíptica, mide únicamente 100 mm de ancho por 30 mm de alto, con un espesor de pared de 3mm. Está elaborado a partir de rolar y formar hoja de acero inoxidable tipo S31603, unido con soldadura TIG a lo largo de toda su extensión.
A pocos metros de distancia a lo largo de los AE y AA se encuentran grupos de electroimanes, los cuales guían el haz de electrones y lo mantienen en el centro de los anillos. Las bombas de vacío (28 a lo largo del AE y 70 a lo largo del AA) constantemente eliminan de los anillos las moléculas indeseadas. Cada una de estas tiene un cilindro fabricado de acero inoxidable grado S30400 cuyo espesor de pared se encuentra entre 2 a 3 milímetros y que va unido a los anillos.
Un tubo de acero inoxidable de 20.32 centímetros de medio kilómetro de longitud y otro tubo de 7.62 milímetros del mismo largo, transportan agua ionizada para enfriar los electroimanes y absorben los rayos X de los bloques de cobre de los cilindros de las bombas de acero inoxidable. Se eligieron los grados S31600 y S31603 debido a que el agua deionizada podría disolver al acero al carbono.
Cuando la pureza del vacío se alcanza eventualmente, el haz de electrones es capaz de circular en el anillo de almacenamiento de ocho a diez horas antes de que los operadores necesiten producir un baño fresco de electrones.
La etapa final implica recolectar los fotones emitidos por el haz de electrones. Los fotones salen volando del haz en el AA a través de las aberturas del mismo y dentro de tubos rectos llamados "líneas de haz", donde la CLS tiene ocho hasta ahora, con una capacitad total de 30. Cada línea de haz también incluye cámaras de vacío ópticas que seleccionan ondas específicas de luz y las envían a la parte final de su trayectoria hacia estaciones de investigación.
La CLS publicará miles de investigaciones de alrededor del mundo sobre miles de usos, desde entender como funcionan las proteínas hasta imagenología médica de tumores y la investigación geoquímica.
Carroll McCormick is a Montreal-based freelance writer.
Crédito de la fotografía: Canadian Light Source Inc.
 Mark De Jong |
