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Investigador del IFUNAM encuentra la verdadera magnitud de los rayos X tribogenerados

Andrés Reséndiz
20/abr/2020

En 2008, cuando el ahora investigador del IF Juan Escobar realizaba su posdoctorado sobre estudios de fricción entre metales y semiconductores en la Universidad de California, participó en un experimento fascinante: generar rayos X con cintas adhesivas en una cámara de vacío. Doce años después, el investigador contribuye ahora para entender mejor ese fenómeno y responder una pregunta pendiente.

El experimento era muy simple: colocaron dos juegos de rollos de cinta adhesiva en dos carretes y pegaron el extremo de una de las cintas a un motor que, al girar, va desprendiendo la otra cinta del carrete. Para su sorpresa, se dieron cuenta que este rápido desprendimiento generaba rayos X debido a un proceso químico conocido como triboluminiscencia.

La triboluminiscencia es un fenómeno en el que mediante acciones mecánicas como la frotación, la trituración, la agitación, la fricción o la deformación, ocurren rupturas en los enlaces químicos de un determinado material, produciendo así destellos de luz.

Así que, gracias a la triboluminiscencia de las cintas adhesivas, los investigadores generaban rayos X. Pero una clave importante para que esto sucediera era que las cintas estaban dentro de una cámara de vacío parcial. Gracias a la escasez de partículas de gas circundante dentro de la cavidad, era posible que los electrones aceleraran y ganaran más energía.

Aun así, algunas de estas partículas energizadas podían chocar contra moléculas de aire provocando que la radiación se multiplicará creando más rayos X en un proceso conocido como Avalancha de Townsend. El problema con ello es que al ser medidas con instrumentos electrónicos convencionales estas avalanchas (o cúmulos) generaban un ruido que los científicos denominan como pile up (acumulación o apilamiento) que evita medir correctamente el espectro.

Los investigadores se dieron cuenta de que los rayos X tribogenerados (TGX, por sus siglas en inglés) se producen en intervalos de tiempo tan cortos que los medidores, en lugar de registrar dos señales diferentes, solo reconocían un pulso de mayor de energía, resultado de una posible medición simultánea.

Es muy parecido a lo que ocurre en una playa con grandes olas. En periodos de calma, podríamos notar cómo una ola tras otra rompen al llegar a la orilla, pero si estas aumentan su velocidad muchas de estas se juntarán antes de llegar a la playa formando así una ola de gran tamaño. Algo similar sucede con esta radiación que al llegar al medidor parecen una sola. Así que la pregunta pendiente de los investigadores era si esa “ola de radiación” que estaban detectando era una sola o un conjunto de muchas.

“Lo que queríamos era comprobar que el espectro que se registraba en los medidores era el espectro real de la emisión. Como estos rayos X se generan en cúmulos muy rápidos sospechamos que estos podrían estar afectando la electrónica que se utiliza para medirlos”, explica Escobar a Noticias IFUNAM.

Respondiendo al nuevo reto

El investigador Juan Escobar, junto con su alumna de licenciatura María Cristina Hernández, se propusieron definir el espectro real de la radiación que se generan las cintas adhesivas en ese experimento.

Publicaron sus resultados en el artículo “ El verdadero espectro de rayos tribo-generados a partir de cinta adhesiva”, en la revista Applied Physics Letters el 12 de noviembre de 2019.

Para responder a la pregunta pendiente acerca de la verdadera cantidad de energía detrás de los TGX, los investigadores emplearon dos detectores que midieron a distintas escalas la magnitud de la radiación: un medidor de silicio para las energías menores a los 10 keV y uno de teluro de cadmio para las energías mayores.

Sin embargo, para que esta técnica se pudiera anteponer a los efectos del pile up, los científicos tuvieron que resolver una incógnita conocida como ángulo sólido, el cual es un punto donde el efecto del acoplamiento es nulo, es decir, el momento en el que el ruido desaparecerá.

“Podría utilizarse para saber, dependiendo de la distancia a la que se coloque un detector de un área determinada, cual es el límite para que no exista tal interferencia (apilamiento) en los rayos X”, añadió el académico.

Para poder calcular dicho ángulo es necesario encontrar un punto donde el medidor no se encuentre ni muy cerca de la fuente (donde este podría saturarse con la radiación), ni muy lejos (donde los rayos X se pueden perder o debilitar por la interacción con moléculas de aire). También se debe delimitar un tamaño para el medidor, ya que mientras más grande sea su área, mayor es la radiación que medirá.

Al final de las mediciones, los científicos encontraron que la verdadera energía individual de los fotones oscilaba entre los 25 y 35 keV.

Aunque el objetivo detrás de esta investigación fue enfocado para entender las verdaderas energías detrás de este proceso de generación de rayos X, también permitió poner en evidencia un problema que existe en el método para medir el espectro a través de la electrónica.

Este problema hace que los detectores empleados en la medición de energía generada por estos tipos de fenómenos (donde los rayos X de generan en cúmulos de algunos nanosegundos de duración) fallen en su conteo, dando como resultado mediciones espurias.

Conocer el espectro real de las fuentes de rayos X es importante en campos como la medicina (específicamente en la generación de imágenes por rayos X) pues dosis bajas pueden resultar insuficientes, pero si por el contrario es demasiado alta, puede ser dañina.

Resolver esta problemática permitirá plantear usos adecuados para cada una de las técnicas que utilicen esta nueva tecnología.

El trabajo original (el experimento realizado hace 12 años) estableció una alternativa a las formas convencionales creadas hace más de 10 años para obtener imágenes de rayos X (acelerar electrones dentro de tubos de vacío que chocan contra láminas).

Este nuevo estudio abona al anterior con miras a desarrollar nuevas técnicas y dispositivos que sean más prácticos y de menor costo. Es así como en un futuro la comprensión de este fenómeno podría ser la base para desarrollar máquinas generadoras de radiación más pequeñas y baratas gracias a su componente: una cinta adhesiva.

Una forma económica de crear rayos X

Aunque el objetivo detrás de esta investigación fue enfocado para entender las verdaderas energías detrás de este proceso de generación de rayos X, también permitió poner en evidencia un problema que existe en el método para medir el espectro a través de la electrónica.

Este problema hace que los detectores empleados en la medición de energía generada por estos tipos de fenómenos (donde los rayos X de generan en cúmulos de algunos nanosegundos de duración) fallen en su conteo, dando como resultado mediciones espurias.

Conocer el espectro real de las fuentes de rayos X es importante en campos como la medicina (específicamente en la generación de imágenes por rayos X) pues dosis bajas pueden resultar insuficientes, pero si por el contrario es demasiado alta, puede ser dañina.

Resolver esta problemática permitirá plantear usos adecuados para cada una de las técnicas que utilicen esta nueva tecnología.

El trabajo original (el experimento realizado hace 12 años) estableció una alternativa a las formas convencionales creadas hace más de 10 años para obtener imágenes de rayos X (acelerar electrones dentro de tubos de vacío que chocan contra láminas).

Este nuevo estudio abona al anterior con miras a desarrollar nuevas técnicas y dispositivos que sean más prácticos y de menor costo. Es así como en un futuro la comprensión de este fenómeno podría ser la base para desarrollar máquinas generadoras de radiación más pequeñas y baratas gracias a su componente: una cinta adhesiva.