A la luz del ALBA

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Durante estas vacaciones, el sincrotrón ALBA ha ofrecido 30 visitas guiadas de hora y media a sus instalaciones. No es la primera vez que abre sus puertas al público y la asistencia siempre es interesante. Por ello, os recomiendo que, si tenéis ocasión de acudir a una de estas jornadas, no lo dudéis. Para que vayáis abriendo boca o para aquellos que no tengáis oportunidad de visitarlo, voy a tratar de aportaros la información más relevante del complejo y explicar sus principales aplicaciones.

La Fuente de Luz Sincrotrón ALBA es la única del estado y la primera del sudoeste de Europa. Forma parte de lo que se conocen como “Instalaciones Científico-Técnicas Singulares” y está formada por un complejo de aceleradores cuya función es producir radiación electromagnética de un rango de longitudes de onda determinado, con la mayor brillantez posible.

 ALBA fue presentado en sociedad en 2010 pero la idea de su construcción se remonta dos décadas atrás. Por aquel entonces el Gobierno catalán nombró una Comisión para estudiar la viabilidad y conveniencia de ubicar una instalación de luz sincrotrón en la región de Barcelona. Como resultado, la Administración catalana la incluyó en su primer Plan de Investigación y se crearon una Comisión Promotora y una Comisión Asesora. Así mismo, se inició un programa de becas de formación en tecnologías de aceleradores. Desafortunadamente, la crisis económica de principios de los años 90 junto a la oposición interna por parte de algunos sectores de la comunidad científica, temerosos de que un proyecto de tales dimensiones se llevase los recursos de otros más pequeños, detuvo su desarrollo.

Sin embargo, en 1995 se recuperó la idea y los Gobiernos español y catalán firmaron un acuerdo para realizar  un estudio detallado sobre la instalación de luz de sincrotrón en España. El grupo responsable de llevarlo a cabo se incorporó en un principio como una nueva división del Instituto de Física de Altas de Energías (IFAE) pero más tarde dicha división, que pasó a llamarse “Laboratori de Llum de Sincrotró” se convirtió en un consorcio entre la Administración Catalana y la “Universitat Autònoma de Barcelona”.

A partir de las conclusiones del estudio y tras varios años de evaluaciones por parte de expertos independientes, el 14 de marzo de 2002 se firmó un protocolo oficial entre los Gobiernos español y catalán que preveía la financiación a partes iguales de una fuente de luz de sincrotrón en el municipio de Cerdanyola del Vallés junto al campus de la Universitat Autònoma de Barcelona, en Bellaterra. Finalmente, un año después, ambas administraciones crearon el “Consorcio para la Construcción, Equipamiento y Explotación del Laboratorio de Luz Sincrotrón”, CELLS, y establecieron su estructura de gobierno, consistente en un Consejo Rector y una Comisión Ejecutiva.

Agosto 2007

Agosto 2007

En octubre de 2003 comenzó la actividad del CELLS con el inicio de la contratación de personal y, con el nombramiento de dos órganos consultivos de expertos internacionales de alto nivel en tecnología de aceleradores (Comité Asesor de la Máquina, MAC) y en el campo de la ciencia de la luz de sincrotrón y las tecnologías de las líneas de luz (Comité Asesor Científico, SAC).

La intención inicial era incluir sólo 5 líneas de luz en la primera fase. Pero en 2006 y dada la calidad de las propuestas presentadas, el SAC recomendó construir inicialmente 7 líneas de luz en vez de 5. Esto fue aceptado por el Consejo Rector de ALBA, que lo incorporó al presupuesto inicial aprobando una dotación presupuestaria total de 201 M€ del año 2003 al año 2009, que incluía la inversión, el personal y los gastos de funcionamiento. Al mismo tiempo, el presupuesto anual de funcionamiento se estimó alrededor de 16 ME, incluidos los sueldos de alrededor de 140 personas. Desde entonces, el desarrollo de ALBA se ha mantenido dentro del presupuesto.

Las obras se iniciaron en mayo de 2006 y en el verano de 2008 el acelerador lineal se instaló en su búnker y se completó su puesta en marcha. Un año después los nuevos edificios estuvieron listos para ser ocupados por el personal del CELLS y en 2010 ALBA empezó a producir luz sincrotrón.

LA NATURALEZA DE LA LUZ SINCROTRÓN

Alrededor de 1860, el gran físico escocés James Clerk Maxwell describió de forma unificada las leyes que rigen los fenómenos eléctricos y magnéticos en las ecuaciones que llevan su nombre, las ecuaciones de Maxwell. Determinó, a su vez, que las radiaciones electromagnéticas son ondas transversales generadas por campos eléctricos y magnéticos ortogonales y perpendiculares a la dirección de propagación.

Las radiaciones electromagnéticas vienen caracterizadas  por su frecuencia y su longitud de onda, dado que su velocidad de propagación en el vacío siempre es c. Su representación, en función de dichos parámetros se conoce como espectro electromagnético y debido a su amplio rango de energías, suele dividirse en diferentes zonas. De todas ellas, el rango de frecuencias que produce el ALBA es el de los rayos X blandos.

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Una vez conocida la naturaleza de las ondas electromagnéticas, veamos cómo se producen. De las ecuaciones de Maxwell puede deducirse que una carga eléctrica en movimiento acelerado irradia energía de forma constante a su alrededor. La transmisión de dicha energía constituye la radiación electromagnética. En el ALBA las cargas eléctricas son paquetes de electrones que son acelerados por los campos magnéticos dipolares que se utilizan para curvar su trayectoria, a fin de mantenerlos dentro de los límites de una órbita aproximadamente circular.

El campo magnético curva la trayectoria del electrón

El campo magnético curva la trayectoria del electrón

La energía radiada es proporcional a la tercera potencia de la velocidad de las partículas v3, inversamente proporcional al radio de curvatura de la trayectoria r y tiene una dependencia con la masa de las partículas de (1/m04). Puesto que la velocidad es casi constante en partículas altamente relativistas la masa se convierte en la variable donimante en la determinación de energía radiada. Como los electrones poseen una massa unas dos mil veces inferior a la de los protones radiarán 1013 veces más energía.

En el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el LHC, las partículas también se aceleran pero lo que interesa en la investigación son los productos de la interacción entre ellas. La radiación de sincrotrón, en ese caso, es una pérdida de energía que trata de minimizarse. Por este motivo, trabajar con protones en lugar de electrones les resulta mucho más favorable.

 Ventajas de la luz de sincrotrón

Hemos visto que el rango de frecuencias en las que trabaja el ALBA son los rayos X blandos y podríamos preguntarnos por qué no se generan con tubos de rayos X convencionales que tienen un coste muy inferior. La respuesta se encuentra en las características que hacen que la luz de sincrotrón sea tan singular.

Brillo

La brillantez es una medida del flujo de fotones emitidos por unidad de área y unidad de ángulo sólido dentro de un cierto intervalo de longitudes de onda. Según el principio de Liouville, una vez satisfechas  las necesidades instrumentales de resolución espacial, temporal, de longitud de onda y de momento, el brillo determina claramente la precisión estadística con la que se puede proceder a la observación experimental. Es decir, si queremos obtener resultados fidedignos a partir del tratamiento estadístico de una muestra de datos nos interesará que esta sea lo mayor posible. Con el aumento de brillo se incrementa la intensidad de la luz y obtenemos más fotones por unidad de tiempo. Con menor brillo deberíamos esperar más tiempo para contar con el mismo número de datos y correríamos el riesgo de que las demás características no se mantuviesen constantes y no se estuviese reproduciendo el mismo experimento.

En el caso del sincrotrón, gracias a disponer de un brillo muy superior, la precisión de la medida es muchos órdenes de magnitud mayor que la que la de las fuentes convencionales. Por este motivo, la luz de sincrotrón es una herramienta imprescindible en el campo de la investigación, fundamental o aplicada. La razón de que sea tan brillante se debe a la velocidad de los electrones es cercana a la de la luz y por tanto las ecuaciones que rigen su movimiento son las de la relatividad.

A partir de las ecuaciones de Maxwell se puede deducir que cuando los electrones viajan a velocidades relativamente bajas la radiación es similar a la emitida por un dipolo que se distribuye en una amplia gama de ángulos, de manera casi isótropa. Sin embargo, en el caso del sincrotrón los electrones viajan , en el sistema de coordenadas del observador, a velocidades comparables a la de la luz y debido a los efectos relativistas, la emisión colapsa en un cono muy estrecho que puede ser de fracciones de miliradián.  Como el tamaño de la fuente de luz viene dado por el tamaño del haz de electrones, puede conseguirse una sección transversal de sólo unas cuantas decenas de micras. La combinación de una pequeña fuente y un ángulo de emisión también pequeño da lugar a una brillantez muy alta (hay que señalar que la brillantez es una medida del flujo de fotones emitidos por unidad de área y unidad de ángulo sólido dentro de un cierto intervalo de longitudes de onda)

Rango de longitudes de onda

En un principio, cabría esperar que la radiación emitida tuviera una frecuencia similar a la frecuencia de revolución de los paquetes de electrones en órbita alrededor del acelerador que corresponde al  infrarrojo lejano. Sin embargo, como la fuente emisora de luz se desplaza respecto al observador ( detector) debe tenerse en cuenta el efecto Doppler que hace que la frecuencia de la luz emitida se desplace hasta alcanzar las características de los rayos X o, incluso, de los rayos gamma. El cambio de frecuencia dependerá del valor de la velocidad de circulación de los electrones. Así pues, contamos con una fuente de luz de elevado brillo que extiende sobre una amplia gama del espectro electromagnético.

Polarización

La luz de sincrotrón está polarizada en el plano de la órbita  y puede polarizarse en otras direcciones. Esto la hace excepcionalmente útil para ciertos experimentos sensibles a la polarización como el estudio de las propiedades magnéticas de los materiales.

Pulsos de luz

Los electrones viajan en paquetes regulares que emiten luz, de forma pulsada, durante unas pocas decenas de millonésimas de millonésima de segundo. La brevedad de los impulsos luminosos hace que las fuentes de luz sincrotrón sean muy adecuadas para el estudio de fenómenos de corta duración.

DESCRIPCIÓN DEL COMPLEJO DE ACELERADORES

aceleradores

A fin de asegurar que el emplazamiento de ALBA era un lugar con la estabilidad mecánica necesaria para establecer la superficie crítica (área del complejo de aceleradores y las líneas de luz), fue objeto de exhaustivos estudios geológicos desde mediados de 2004. La solución adoptada garantiza la ausencia de movimientos diferenciales entre dos puntos cualesquiera de la superficie crítica y asegura el filtrado de las vibraciones que llegan desde el mundo exterior. Está formada por una losa de 1 m de hormigón flotando sobre una capa de 2 m de espesor de gravas graduadas, homogéneas y compactadas para dar estabilidad adicional, entre dos capas de protección de hormigón pobre.

El complejo de edificios diseñado por el arquitecto E. Talón consta de tres edificios principales: el edificio técnico (de aproximadamente 7.600 m2), la sala principal (de unos 18.500 m2) colocada sobre la losa, pero con cimientos disociados, y el ala de oficinas y personal (aproximadamente 4.000 m2). La sala principal y el ala de oficinas y personal comparten un techo metálico común que permite la entrada indirecta de luz natural, pero evita las variaciones de temperatura en el interior del edificio. La combinación del diseño del techo, el aire acondicionado y el equipo interno de regulación de temperatura garantiza que, por debajo de una altura de 4 m, la temperatura ambiente se mantenga constante con un margen de 0,5 grados.

El túnel

El túnel

En cuanto a las instalaciones eléctricas, uno de los criterios del  técnico ha sido garantizar la redundancia del suministro de la energía y su calidad. La redundancia se logra a través de dos suministros externos, líneas activas conmutables, de 25 KV y 12 MW cada uno.

La fuente de luz de sincrotrón ALBA es una instalación radiactiva de 1ª categoría. Cómo tal, cuenta con un Servicio de Protección Radiológica y está sometida a estrictas normas de vigilancia y control. Todas las zonas en las que podrían superarse los niveles de radiación de las áreas de libre acceso, están señalizadas en función de su riesgo radiológico. Los trabajadores que acceden a ellas cuentan con la formación requerida en función del trabajo a realizar y están sometidos a un plan de vigilancia médica y dosimétrica.

El esquema general del complejo de aceleradores de ALBA es el de una fuente de luz de sincrotrón de 3ª generación. Los electrones se generan en el cañón de electrones por efecto termoiónico al calentar tungsteno a mil grados centígrados bajo un potencial de 90 kV. A continuación, son transferidos al acelerador lineal LINAC que los acelera mediante campos eléctricos de radiofrecuencia hasta alcanzar una energía de 100 MeV. En este momento, los paquetes de electrones inician su recorrido circular al ser inyectados por medio de un imán pulsante a un sincrotrón propulsor de un perímetro de unos 250 m. Allí, cavidades de radiofrecuencia incrementan su energía hasta alcanzar los 3.000 millones de eV (o 3 GeV), que es la energía máxima nominal de ALBA. Seguidamente, los paquetes de electrones se transfieren a un anillo de almacenamiento de 268,8 m de perímetro que se encuentra en el mismo túnel que alberga el sincrotrón propulsor.

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En este anillo se alternan tramos curvos y rectos. Los curvos están formados por tres tipos de electroimanes: imanes bipolares que controlan que los electrones sigan la trayectoria casi circular y cuadrupolos y sextupolos que sirven para empaquetar el haz de electrones evitando que se disperse. Los tramos rectos, de los que parten  las líneas de investigación, contienen dispositivos de inserción (estructuras magnéticas multipolares) que aceleran los electrones incrementando el flujo y el brillo de la radiación sincrotrón. En función de las dimensiones de los itinerarios que recorren los haces de electrones a través de los imanes, estos dispositivos pueden dividirse en “wigglers”, para trayectorias largas en relación a las dimensiones del haz, y en onduladores, para recorridos comparables a dichas dimensiones. El anillo de almacenamiento, a su vez, cuenta con  seis cavidades de radiofrecuencia que aportan a los electrones la energía que pierden en forma de luz de sincrotrón. De esta forma, estas partículas siempre viajan alrededor del anillo a una velocidad constante.

Finalmente resaltar el alto grado de vacío en el que deben encontrarse los electrones durante todo el trayecto para evitar la pérdida de energía por interacciones con las moléculas residuales de gas en el interior del tubo.

LA FUENTE DE LUZ DE SINCROTRÓN

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La luz de sincrotrón se produce cuando los electrones pasan a través de los electroimanes dipolares del anillo de almacenamiento o a través de uno de los dispositivos de inserción instalados en los tramos rectos. Su emisión es tangencial a la trayectoria que describen los electrones por efecto de la aceleración magnética. Por lo que a los paquetes se refiere, los puntos de extracción están dispuestos de forma que su tamaño sea mínimo. Esto se traduce en una fuente luminosa de menores dimensiones y, por tanto, más brillante.

Una vez creada, la luz de sincrotrón debe dirigirse a las áreas experimentales y, para ello, cruza el muro de protección que aísla el complejo de aceleradores del exterior mediante un conjunto de dispositivos, incluidos los de control y protección radiológica, conocidos genéricamente como “front-ends”.

La elección del rango de frecuencias para la luz de sincrotrón del ALBA se ha establecido en base a las investigaciones que se quieren realizar. Los rayos X blandos que emite, tienen longitudes de onda comparables a las dimensiones atómicas y moleculares que requieren los diferentes experimentos que se llevan a término.

 LÍNEAS DE LUZ INICIALES

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La precisión sin precedentes de las fuentes de luz de sincrotrón las convierte en una herramienta fundamental en la investigación de la materia en un amplio abanico de disciplinas. Si bien en un principio la empleaban mayoritariamente los físicos, hace años que su uso se ha extendido a casi todas las disciplinas científicas.

ALBA, en su fase inicial, cuenta con 7 líneas de luz que estudian aspectos científicos de las áreas de ciencia de los materiales, física, química y biología. Pero su capacidad total de líneas de luz y de estaciones experimentales supera con creces este número pudiendo instalarse hasta 33 líneas de luz. Esto es fundamental para asegurar el futuro de la instalación, el enriquecimiento de su programa científico y el consecuente aumento de competitividad.

 Las 7 líneas de luz que están en marcha y sus características principales son:

– Línea BOREAS: Está equipada con dos estaciones experimentales para dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) y dispersión resonante. Se dedica al estudio de las propiedades magnéticas de materiales y nano estructuras.

– Línea CIRCE: Cuenta con dos estaciones experimentales destinadas a: microscopía de fotoemisión de electrones (PEEM) para obtener imágenes de la estructura electrónica de los átomos con una resolución de 10 nm, y espectroscopia de fotoemisión a presión ambiente para estudiar la configuración electrónica de los materiales sólidos y líquidos. Sus principales aplicaciones son la física del estado sólido, la catálisis química y los nanodispositivos.

 – Línea CLAESS: Dispone de una estación de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) que permite analizar los cambios en la estructura atómica de los sólidos durante los procesos químicos y físicos. Se emplea en química analítica y en ciencias ambientales.

– Línea MSPD: Está formada por una estación de difracción de polvo de alta resolución encargada del estudio de la estructura cristalina de muestras inorgánicas y del cambio que ésta experimenta en diferentes condiciones ambientales. Tiene aplicación en ciencia de materiales, química orgánica, geología y farmacología.

– Línea XALOC: Contiene una estación de difracción de monocristal que puede determinar la estructura de moléculas grandes como proteínas, encimas y ácidos nucleicos. Se utiliza en biología molecular y bioquímica..

 – Línea NCD: Realiza experimentos de dispersión y difracción de rayos X de sistemas no-cristalinos como materiales orgánicos y tejidos vivos. Sus resultados tienen interés en la biología y la química orgánica.

– Línea MISTRAL: Se encarga de microscopía y tomografía de rayos X blandos. Permite obtener la estructura de células con la resolución necesaria (30 nm) para ver los virus. Se emplea en microbiología y biología celular.

 EL FUTURO

El proceso de evaluación de la segunda fase de líneas de luz se completó hacia finales de 2009. Tras el análisis de ocho propuestas, el Consejo Rector de ALBA concluyó que en 2011, en función de la disponibilidad presupuestaria, se iniciaría el estudio técnico detallado y la posterior construcción de 2 líneas de luz más, dedicadas a la espectro-microscopía en el infrarrojo, y a los estudios de emisión de fotoelectrones de alta precisión en el ultravioleta y los rayos X muy blandos. En la actualidad, si bien ambas líneas cuentan con la aprobación por parte de los científicos están a la espera de fondos para poderse incorporar.

ALBA cuenta con clientes públicos y privados y ha probado, en su fase inicial, su importante contribución a los centros de investigación y a la industria. Sin embargo, no hay que olvidar que la instalación cuenta con una capacidad mucho mayor y que, mientras no se invierta en su desarrollo, será una Infraestructura Científico-Técnica Singular infrautilizada. Según el antiguo Comisario Europeo de Ciencia e Investigación, Janez Potocnik, las infraestructuras de investigación “son un activo clave en la aplicación de nuestra visión de una Europa del conocimiento”. En un momento en el que la ciencia española se encuentra en una situación tan crítica, la apuesta contundente y la inyección de capital en instalaciones como ALBA es la única opción que hay para formar parte de esta nueva Europa.

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REFERENCIAS

Los materiales incluidos en la entrada se han extraído de la página oficial de ALBA-CELLS. Allí podéis ampliar la información con gran cantidad de recursos para todos los niveles.

Acerca de Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

Licenciada en Física por la Universidad de Barcelona y máster en Ingeniería y Gestión de las energías renovables por IL3. Tras años dedicada a la protección radiológica, he encontrado un empleo como directora y editora de Next Door Publishers, que aúna mi pasión por la divulgación científica y la literatura. Aparte de esta labor, también ejerzo de divulgadora científica en mi blog «Los Mundos de Brana» —premiado en la VI edición del Concurso de Divulgación Científica del CPAN—, en el podcast para niñas y niños «Crecer soñando ciencia» y en las plataformas «Naukas» y «Hablando de Ciencia». He colaborado en el blog «Desayuno con fotones» y en los podcasts de ciencia «La Buhardilla 2.0» y «Pa ciència, la nostra». Soy miembro del Grupo Especializado de Mujeres en la Física de la Real Sociedad Española de Física y socia de ADCMurcia, Cienciaterapia y ARP-SAPC. En 2015 tuve el honor de ser galardonada con el premio Tesla de divulgación científica de «Naukas».
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18 respuestas a A la luz del ALBA

  1. jmbenlloch dijo:

    Hola Laura!

    Veo que el descanso estival ha dado sus frutos, volvemos a ver una de tus instructivas entradas 😉 Sabía algo de este proyecto pero nunca había leído en detalle a qué se dedican. Me alegro de que tengamos unas instalaciones así en este país. Esperemos que consigan la financiación necesaria para desarrollar todo su potencial.

    Tengo también unas de dudas sobre la explicación. Comentas que la luz es pulsada, entiendo que eso puede ser debido al hecho de que los electrones viajen en paquetes y en cada línea de luz aparece la luz sincrotrón cuando llega uno de esos paquetes no? Pero los electrones emitirían radiación durante todo su recorrido al estar acelerados. ¿Estoy en lo cierto?

    La otra cuestión es sobre las nuevas líneas, ¿para conseguir las fuentes de luz infrarroja y ultravioleta habría que añadir instrumentos para frenar los electrones en esas líneas?

    Y la última pregunta, ¿dónde terminan los electrones? Quiero decir, yo inyecto un haz de electrones, se acelera y al final llega al storage ring, ¿qué pasa después? ¿se queda ahí indefinidamente? ¿se extrae en algún punto?

    Pues ahí te dejo mis preguntas para cuando tengas un rato xD

    Saludos 😉

    • Hola Jose,

      A ver si logro explicártelo. 🙂
      1.- Efectivamente los electrones viajan en “paquetes” y ello es debido a la necesidad de que estén sincronizados con el campo electromagnético alterno que los acelera en el interior de las cavidades resonantes. Afortunadamente se da un fenómeno muy favorable que tiende a mantener la sincronización entre ellos y consiste en que, por efecto del campo acelerador, los electrones que estén ligeramente retrasados respecto a la posición correcta reciben más energía y por tanto mayor aceleración, con lo que recuperan su retardo. Asimismo, los que llegan a la cavidad ligeramente adelantados reciben menos energía y menos aceleración con lo que también recuperan la posición teórica. No me encantan las similitudes, pero es como si el paquete de electrones, al entrar en el elemento acelerador (cavidad resonante), “montase sobre una ola” que lo concentrase en la cresta y lo acelerase. Este fenómeno fue descubierto por Szilárd en 1934 y se conoce como principio de estabilidad de fase.

      2.- Tal como dices, la luz sincrotrón aparece en cada línea de luz cuando un paquete de electrones atraviesa un dispositivo de inserción, que puede ser un imán bipolar, un ondulador o un wiggler. Además los electrones emiten radiación siempre que son acelerados y por tanto en los tramos curvos del anillo, ya sea del sincrotrón propulsor o del de almacenamiento. En los tramos rectos, sin dispositivos aceleradores, no emiten luz alguna.

      3.- Habrá que colocar los dispositivos adecuados para favorecer las longitudes de onda deseadas, los onduladores favorecen determinadas frecuencias según sus características de diseño, debido a fenómenos de interferencia constructiva. Eventualmente pueden completarse con monocromadores.

      4.- A lo largo de su constante circulación por el anillo de almacenamiento y pese al principio de estabilidad de fase y al uso de colimadores constituidos por imanes bi, tetra y hexapolares que mantienen la estabilidad de los paquetes de electrones, en definitiva del haz, éste se va deteriorando a lo largo del tiempo. Ello es debido a: colisiones con moléculas de gas residual, choques entre los propios electrones, dispersión por repulsión electrostática, choques con elementos del propio ciclotrón, etc. Por ello es necesario renovar el haz periódicamente (típicamente en el orden de horas). El procedimiento usual es desviar el haz hacia un blanco estático, al que cede su energía y construir un nuevo haz a base de paquetes de electrones procedentes del acelerador lineal, que son acelerados en el anillo del sincrotrón propulsor y posteriormente transferidos al sincrotron de almacenamiento.
      Un beso,
      Laura

      • jmbenlloch dijo:

        Hola de nuevo,

        Gracias por las respuestas, todo muy claro profesora 😉

        Saludos

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  6. Excel·lent article, Laura! I espectacular imatge, la del sincrotró l’any 2007!

  7. Pingback: La óptica de las bragas de Lois Lane, o: Superman, en serio. ¿Cómo lo has sabido? | Meditaciones Dactilares

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    Saludos

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