CICLOTRON, ESPECTROMETRO Y MONOCROMADOR JUAN DAVID CORCHUELO MORENO

CICLOTRON Creado por Ernesto Orlando Lawrence (1901-1958) en 1931 El ciclotrón permitió producir artificialmente mas de 300 substancias radioactivas . Elementos artificiales como: radiofósforo, radiosodio podían darse a un paciente y seguir su trayectoria dentro del cuerpo gracias a la emisión de rayos gamma de gran velocidad que despiden. Estas experiencias resultaron de mucha importancia en la lucha contra el cáncer.

DEFINICIÓN Es un acelerador de partículas circular que, mediante la aplicación combinada de un campo eléctrico oscilante y otro magnético consigue acelerar los iones haciéndolos girar en órbitas de radio y energía crecientes.

Se basa en que el periodo de rotación de una partícula cargada en el interior de un campo magnético uniforme es independiente del radio y de la velocidad:

De este modo, las partículas cargadas se introducen en un dispositivo con forma de “D” y son aceleradas con un voltaje alterno de frecuencia exactamente igual a ωc. A cada mitad de vuelta la “D” contraria cambia de polaridad comunicando a la partícula una energía qΔV. La velocidad de la partícula crece de ese modo adquiriendo un valor v = ωr igual a:

FUNCIONAMIENTO El ciclotrón tiene dos placas. La partícula cargada se acelera entre ellas, llega a la placa que la atrae, la atraviesa y entonces se encuentra con un intenso campo magnético que la hace girar. La partícula entonces realiza una curva muy cerrada hasta que vuelve a la placa que había atravesado. Mientras se ha cambiado la polaridad de las dos placas: ahora el electrodo que lo atrajo lo repele, y al revés. De modo que la partícula atraviesa de nuevo el tubo, pero ahora en sentido contrario al inicial y más rápido que la primera vez. Cuando sale por el otro lado, se encuentra con un campo magnético que la hace girar y vuelve a realizar el camino en sentido contrario.

Cada vez que la partícula realiza el recorrido, gira y vuelve, se mueve más y más rápido de modo que la curva que realiza es cada vez más (una espiral), hasta que llega un momento en el que no puede acelerarse más o se saldría del aparato: en este momento se hace que salga definitivamente, tras haber recorrido el tubo muchas veces y moverse muy rápido

APLICACIONES Medicina nuclear Identifica presencia de células tumorales Facilita la investigación para el tratamiento del cáncer Producción de radioisótopos necesarios para las exploraciones con la técnica de tomografía de emisión de positrones (PET) Técnicas de irradiación con protones de materiales de interés tecnológico y/o biológico para estudios de daño por irradiación e implantación iónica. Exploraciones de pacientes por técnica PET Estudio y desarrollo de nuevos fármacos para la técnica PET

ESPECTROMETRO El fenómeno de emisión de iones fue observado por primera vez a comienzos del siglo XX. El primer instrumento similar a un espectrómetro de masas fue descrito en 1899 por J.J. Thomson. En 1918 y 1919 A.J. Dempster y F.W. Aston construyeron los primeros instrumentos capaces de actuar como un espectrómetro de masas.

DEFINICIÓN Es un dispositivo que separa iones que tienen la misma velocidad. Después de atravesar las rendijas, los iones pasan por un selector de velocidades, una región en la que existe un campo eléctrico y otro magnético cruzados. Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en una región donde el campo magnético les obliga a describir una trayectoria circular. El radio de la órbita es proporcional a la masa, por lo que los iones de distinta masa impactan en lugares diferentes de la placa.

COMPONENTES Fuente de ionización: elemento que ioniza el material a ser analizado. Analizador de masa: Es la pieza más flexible, utiliza un campo eléctrico o magnético para efectuar la trayectoria o la velocidad de las partículas cargadas de una cierta manera. Detector: Registra la carga inducida o la corriente producida cuando un ion pasa cerca o golpea una superficie

FUNCIONAMIENTO Si por ejemplo se vaporiza NaCl y se analizan los iones en la primera parte del espectrómetro de masa; esto produce iones de sodio y de cloro que tienen pesos moleculares específicos. Estos iones tienen una carga que significa que debido a ella tendrán movimiento bajo influencia de un determinado campo eléctrico.

Estos iones se envían a un compartimiento de aceleración y se pasan a través de una lámina metálica. Se aplica un campo magnético a un lado del compartimiento que atrae a cada uno de los iones con la misma fuerza y se los desvía sobre un detector. Los iones más ligeros se desviarán más que los pesados porque tienen menos masa. El detector mide cuán lejos se ha desviado cada ion y a partir de ese dato se calcula el “cociente masa por unidad de carga”, determinando con certeza la composición química de la muestra original.

APLICACIONES Química forense Metabolismo de los fármacos Caracterización de aromas, de proteínas de vinos, de lacas, de pinturas. Análisis de procesos industriales, control de calidad de productos de química fina e industrias farmacéuticas Estudios de contaminación de medio ambiente Análisis en hidrología, meteorología, geología, bioquímica, agricultura y alimentación, biomedicina e industria nuclear.

MONOCROMADOR 3 4 1 2 Componentes de un espectrómetro a) b) Fuente de radiación Sistema óptico a) Sistema para dirigir la radiación b) Sistema de aislamiento de la longitud de onda (Monocromador) 3. Recipiente para la muestra 4. Sistema de detección

MONOCROMADOR DE PRISMA DISPERSIÓN ANGULAR El elemento dispersante es un prisma óptico que debido al fenómeno de la refracción y en particular a su dependencia con λ (dispersión refractiva) separa las distintas λ con distintos ángulos

MONOCROMADOR DE RED DISPERSIÓN LINEAL El elemento dispersante es una red de transmisión o reflexión que debido al fenómeno de la difracción separa las distintas λ con distintos ángulos