Dr. EDUARDO ANDRADE IBARRA INSTITUTO DE FISICA UNAM ACELERADORES DE PARTICULAS Y SU APLICACIÓN PARA EL ANALISIS DE MATERIALES Dr. EDUARDO ANDRADE IBARRA INSTITUTO DE FISICA UNAM

Antecedentes de Aceleradores de Particulas Uno de los descubrimientos científicos más importantes para la humanidad fue el ocurrido en el año de 1896 cuando el físico francés Henri Becquerel descubrió el fenómeno conocido como radiactividad.

Ernest Rutherford y sus colaboradores Marsden y Geiger en el año de 1911 utilizaron una fuente radiactiva de partículas alfa como proyectiles para comprobar la teoría sobre la estructura de la materia propuesta por Thompson, también conocida como el modelo atómico del pastel. En la siguiente figura, se muestra esquemáticamente el arreglo experimental usado en estos experimentos.

Física atómica Física nuclear Está relacionada con el mundo de los electrones y tiene que ver con los fenómenos químicos. Las energías de excitación de los átomos están en el rango de eV y keV. Por ejemplo, la emisión de luz y rayos-X, electrones Augers, etc. Física nuclear En ésta, los niveles de energías de los núcleos involucrados son de del orden de MeV. Por ejemplo, núcleos excitados decaen al estado base con la emisión de rayos gamma con energías de MeV.

Descubrimientos que se realizaron con fuentes radioactivas 1)Determinación de radios nucleares 2)Primera reacción nuclear con intervención del hombre :14N(α,p)16O 3)Descubrimiento del neutrón (Chadwick 1932) 4)Primera fisión nuclear en 1938

Motivación para crear un Acelerador de partículas El uso de las fuentes radiactivas es limitado, por lo que los científicos necesitaban disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador pudiera controlar: 1) El tipo de partícula (protones, deuterones, alfas, etc.) 2) Su energía cinética ( E = ½ m v2 ) 3) Flujo de partículas (corriente eléctrica)

Diagrama esquemático de las componentes principales de un acelerador de partículas

Si se consulta en la enciclopedia británica sobre aceleradores de partículas, menciona que fueron creados para el estudio de los núcleos atómicos y que para la física nuclear este instrumento tiene una importancia similar al telescopio para los astrónomos y la del microscopio para los biólogos.

Diversos usos de aceleradores En la actualidad existen aceleradores para diferentes tipos de aplicaciones, tales como los aceleradores lineales usados en los hospitales de cancerología, implantadores de iones usados en la industria electrónica para la fabricación de chips y circuitos electrónicos; ciclotrones para la producción de radioisótopos, tomógrafos de emisión de positrones, así como aceleradores de ultra alta energía para investigación de partículas elementales, etc. Fabricación de chips Tomógrafo de positrones

Acelerador original de Cockcroft y Walton A partir del año 1912 se inició una competencia entre científicos de muchas partes del mundo para construir el primer acelerador de partículas. Los ingleses Cockcroft y Walton, 20 años después (1932) fueron quienes ganaron esta competencia al poner en operación el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron un haz de protones de bajas energías (150 keV) y lo usaron para bombardear isótopos de litio 7Li. El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutación nuclear hecha totalmente por el hombre. Acelerador original de Cockcroft y Walton

La reacción nuclear observada en este experimento fue: p + 7Li  4He + 4He + Qm donde Qm es la energía debido a la diferencia de masa de las partículas antes y después de la colisión que origino la reacción nuclear (16 MeV en este caso). Este experimento mostró que el sueño de los alquimistas de la Edad Media de convertir un elemento en otro, se había logrado con el uso de los aceleradores. Átomos que no existen en la naturaleza son producidos con los aceleradores. Por ejemplo, los radioisótopos que tienen aplicaciones en medicina nuclear y también en la industria (11C, 13N, 15 O, 18F, 123I, 99Tc, etc)

Generador electrostático Van de Graaff Dr. Robert Van de Graaff Generador de alto voltaje tipo Van de Graaff (1933)

Acelerador Ciclotrón

Acelerador Tevatrón (CERN)

Detector (Calorímetro) en el CERN Producción multiple de partículas en experimento del CERN Detector (Calorímetro) en el CERN

Acelerador Lineal

CLASIFICACION DE ACELERADORES POR ENERGÍA E Bajas energías: E < 20 MeV Energías intermedias: 20 MeV < E < 100 MeV Energías medias altas: 100 MeV < E < 1000 MeV Altas energías 1000 MeV < E Los aceleradores de bajas energías se usaron intensivamente en física nuclear hasta los años de 1970 y se consideraban, a partir de esta fecha, como obsoletos para investigación.

NUEVOS USOS DE ACELERADORES DE BAJAS ENERGIAS Técnicas analíticas de origen nuclear (TAON) para el análisis de materiales Modificación de materiales por el bombardeo con iones Aplicación en procesos industriales, tales como procesos de vulcanización de hules, aisladores especiales en conductores eléctricos, esterilización de alimentos y materiales quirúrgicos, producción de radioisótopos, entre otros.

ACELERADORES DE PARTÍCULAS EN EL INSTITUTO DE FÍSICA UNAM VAN DE GRAAFF ELECTRÓN DE 2 MV (Modelo HVECO AN2000), Instalado en 1952. VAN DE GRAAFF DE 0.7 MV (Modelo HVECO AN700), Instalado en 1972. VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV (Modelo HVECO CN), Instalado en 1988. TANDEM PELLETRON DE 3 MV (Model NEC 9SDH-2), Instalado en 1996 Acelerador para determinación de 14C (por instalarse en 2012)

Modelo del acelarador tipo tandentron de 1 MeV para 14C por instalarse en 2012.

COMPONENTES DE UN ACELERADOR TIPO VAN DE GRAAFF FUENTE DE IONES TUBO ACELERADOR GENERADOR DE ALTO VOLTAJE

Principios de operación del generador de voltaje tipo Van de Graaff

EL ACELERADOR VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV

Banda, columna y tubo del acelerador

PRINCIPALES COMPONENTES DEL ACELERADOR VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV

La fuente de iones del acelerador de 5.5 MV y diagrama de bloques de fuentes de voltaje para su operación

RADIACIÓN IONIZANTE Las radiaciones ionizantes poseen la energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Pueden clasificarse como: Radiación electromagnética: La cual se encuentra formada por fotones. Según su origen y su energía se clasifican en rayos X y rayos gamma. Radiación corpuscular: Que incluye a las partículas alfa, beta, protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía, como los piones o los muones.

α β- Con carga eléctrica β+ p+ d+ RADIACIÓN IONIZANTE Rayos X Sin carga eléctrica Rayos γ Neutrones Neutrinos

Espectrómetro de altura de pulsos de voltaje y módulos electrónicos asociados a un detector de radiación ionizante

Las partículas cargadas interaccionan directamente con la corteza electrónica de los átomos debido a la fuerza electromagnética. Los rayos gamma, por su parte, interactúan con los electrones de los átomos mediante tres mecanismos distintos que son la absorción fotoeléctrica, el efecto Compton y la producción de pares. Los neutrones interaccionan con los núcleos de la materia mediante los siguientes efectos: Activación, Fisión y colisión inelástica

Detectores de barrera superficial

Calibración en energía de un detector de barrera superficial Fuente triple de alfas Detector de barrera superficial

DETECTORES DE NEUTRONES

Efectos que se presentan al colisionar iones con átomos Rayos X Ion Incidente Iones Retrodis- persados Rayos g Electrones Auger Átomo blanco Núcleo radiactivo Rayos g (captura de electrones) Neutrón y/o Partículas con carga procedentes de Reacciones Nucleares Fotones visibles

Técnicas de origen nuclear para el análisis de materiales (TAON) 1) RBS (Rutherford backscattering) 2) EBS (elastic backscattering) 3) NRA (nuclear reaction analysis) 4) PIXE (particle induced X- ray energy) 5) PIGE (particle induced gamma – ray energy) 6) ERDA (energy recoil data analysis) 7) FES (forward elastic scattering) 8) NAA (nuclear activation analysis) 9) AMS (accelerator mass spectrometry)

VENTAJAS DEL USO DE LAS TAON 1) Son técnicas multielementales, pues en una sola irradiación se pueden determinar diversos elementos. 2) Son técnicas no destructivas, por lo que los materiales irradiados se pueden usar en otras caracterizaciones. 3) Se pueden analizar películas delgadas depositadas sobre sustratos “gruesos” 4) Se puede determinar el perfil de los elementos en el material 5) Los tiempos de bombardeo de las muestras son cortos. 6) No requieren de materiales patrones.

DESVENTAJAS DE LAS TAON 1) Se requiere del uso de un acelerador de partículas de bajas energías. 2) Su uso requiere de personal especializado para seleccionar la técnica apropiada para en el empleo del la TAON y además de un conocimiento del software para el análisis de los espectros. 3) Los espesores de las películas se obtienen en unidades de átomos/cm2 4) Las TAON no son sensibles a composición atómica. Solo son sensibles a concentraciones atómicas.

Ecuación básica de las TAON asociada con un acelerador La ecuación básica utilizada para experimentos con aceleradores, es la siguiente: Esta ecuación también se llega a usar para definir el concepto de sección transversal y se puede medir experimentalmente si t, el espesor de la muestra, y N, la densidad de átomos en la muestra, son conocidos ya que las otras cantidades H, número de partículas detectadas, C, el número de partículas que inciden en el blanco o carga y , el ángulo sólido que abarca la apertura del detector, son parámetros que se pueden obtener experimentalmente.

Sección transversal de Rutherford

Ejemplos de secciones transversales de dispersión elástica

EJEMPLOS DE SECCIONES NUCLEARES PRODUCIDAS POR EL BOMBARDEO CON UN HAZ DE DEUTERIO y 3He

Fenómenos físicos asociados con el uso de las TAON 1) La sección transversal de dispersión es proporcional a la probabilidad de que ocurra la colisión entre las partículas del haz y los núcleos del blanco 2) Cinemática de reacciones nucleares. Sirve para calcular la energía de las partículas que se producen por las colisiones provocadas en el bombardeo. 3) Potencia de frenamiento. Este fenómeno se debe principalmente a la interacción de los iones incidentes con los electrones de las muestras bombardeadas. 4) Esparcimiento de la pérdida de energía. Este fenómeno se debe a la pérdida de energía debida a los múltiples encuentros individuales de los iones incidentes. Por este fenómeno se limita el uso de las TAON para obtener el perfil de concentraciones atómicas a profundidades de sólo algunas m.

Cinemática de Reacciones Nucleares Una reacción nuclear: X(x, y)Y. Las partículas antes de la colisión son (x, X) y después de la colisión son (y, Y).

En el caso de colisiones elásticas la Q = 0 debido a que y

POTENCIA DE FRENAMIENTO Ecuación de Bohr La pérdida de energía por unidad de longitud de los iones incidentes en un material, es descrita por una fuerza que puede compararse con una “fuerza de fricción” y es debida a la interacción de los iones incidentes con la nube de los electrones de la muestra.

ESPARCIMIENTO DE LA PÉRDIDA DE ENERGÍA Esta teoría predice que la desviación estándar  es proporcional a

ESPECTROS DE PELICULAS DE TixAly / VIDRIO BOMBARDEADAS CON UN HAZ DE 4He DE ENERGÍA DE 1.4 MeV De este espectro estimamos la concentración de Al y Ti, 29% y 11.5%, respectivamente. De este espectro estimamos la concentración de Al y Ti, 40% y 12%, respectivamente. De este espectro estimamos para el Al y Ti, 60% y 10%, respectivamente. De este espectro estimamos de Al y Ti, 80% y 6.9%, respectivamente

Software usado para análisis de espectros de energía en TAON SIMNRA, WINDF, GUPIX Parámetros usados en la operación del SIMNRA

Espectro de RBS de una zeolita bombardeada con 4He de 1.5 MeV Combinación de RBS y NRA para el análisis de una zeolita Espectro de RBS y Reacción de la misma zeolita bombardeada con 2H de 1.5 MeV Espectro de RBS de una zeolita bombardeada con 4He de 1.5 MeV

Análisis simultaneo de la región de RBS y RN de una película de SiNH/Si bombardeada con deuterio de 1.4 MeV

Análisis simultaneo de la región de RBS y RN de películas de Ti/TiN sobre sustrato de acero bombardeadas con deuterio de 1.4 MeV

Emisión de Rayos X Inducidos por Partículas (PIXE)

EMISIÓN DE RAYOS X

Espectros típicos de PIXE Muestra estándar para calibración Zeolita irradiado con haz de protones de 2 MeV

Emisión de rayos gamma por núcleos excitados debido al bombardeo con protones