técnicas basadas en aceleradores Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México

Transcripción

1 La Física detrás de las técnicas de análisis basadas en aceleradores de partículas Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México Escuela de Verano en Física 2001

2 Contenido Introducción Funcionamiento de los aceleradores electrostáticos Retrodispersión de Rutherford (RBS) Emisión de Rayos X Inducida por Partículas (PIXE) Análisis por Reacciones Nucleares (NRA) Investigación en Física para RBS, PIXE y NRA

3 Introducción Por qué aceleradores de partículas? Historia de los aceleradores electrostáticos Desarrollo de las técnicas basadas en aceleradores

4 Por qué aceleradores de partículas culas? Primeros experimentos en la Física Nuclear con fuentes emisoras de partículas alfa (Ra, Po y Th), y los rayos cósmicos Ernest Rutherford usó 7 mg de Ra para establecer su modelo atómico Se descubrieron fenómenos básicos La transmutación artificial La radioactividad artificial El neutrón La fisión nuclear

5 Por qué aceleradores de partículas culas? Pronto se requirió de mayor diversidad de partículas y energías La intensidad de las fuentes era muy baja Se inventan los primeros aceleradores de partículas en la década de los 1930: Cockroft Walton Lineal (Sloan Lawrence) Ciclotrón Van de Graaff Tecnología reciente: Peletrón

6 Fuerzas eléctricas y magnéticas uur F E = ur qe E V uuur r ur F = qv B M

7 Acelerador Cockroft Walton Inventado en 1932, en Cambridge Basado en un circuito multiplicador de tensión Utilizado para la reacción nuclear 7 Li + p He He con protones de 150 kev 4 + 4

8 Acelerador Lineal Entrada > > > > > > 1 2 n Salida > L < n > λ Inventado por Sloan y Lawrence para Hg de 1.3 MeV Tubos de longitud L 1, L 2,..., L n Oscilador con longitud de onda λ Con una diferencia de potencial V, la energía al salir del n ésimo tubo es nev

9 Ciclotrón Electrodo "D" Electrodo de extracción R f 0 Oscilador Haz extraído R = mv qb qb f = 2 2 q B 0 E 2 π m c = 2 m 2 R

10 Acelerador Van de Graaff 5.5 MV IFUNAM

11 Acelerador Van de Graaff Fuente de iones Puntas de corona Vóltmetro generador Anillos equipotenciales Tubo acelerador Peines de carga Trampa de aire líquido Colector de tantalio Imán analizador Terminal de alto voltaje Polea con generador Bomba difusora Bomba mecánica Rejillas de regulación Polea con motor Fuente de 30 kv

12 Funcionamiento de un acelerador Van de Graaff Generación de alta tensión Producción de los iones Regulación de la tensión Medición de la alta tensión

13 Fuente de iones (gases) Electrodos RF Barra Magnética Anodo Canal de salida Colector de electrones Barra Magnética Conducto para gas

14 Regulación n de la tensión Terminal Tubo acelerador Puntas de corona Imán selector Rejillas

15 Medición n de la alta tensión A Rotor Estator

16 Acelerador Peletrón IFUNAM Fuente de iones (Sólidos) Línea Rayos X Electroimán Inyector Electroimán Analizador Línea Implantación Fuente de iones (Gases) Acelerador Tándem Peletrón 9SDH 2 Cuadrupolo Magnético 1 metro Línea RBS E = ( q + 1 ) ev

17 Fuente de iones Alphatross Cilindro de gas Cilindro de cuarzo Electrodos Extractor de iones Alimentación del gas Fuente de radiofrecuencia Horno de Rb

18 Fuente de iones SNICS Cátodo Cámara de producción de iones Extractor de iones Horno de Cs

19 Acelerador Peletrón Terminal de alta tensión Stripper Tubos aceleradores Cadena de barras metálicas/plásticas

20 Sistema de carga del Peletrón

21 Acelerador Peletrón 3 MV IFUNAM

22 Betatrón Bobina Haz de Electrones Campo magnético variable

23 Sincrotrón Laboratorio Europeo de Luz Sincrotrón

24 Tecnologías auxiliares Técnicas de vacío (alto y ultra alto) Tipos de bombas Sistemas de medición Materiales Conexiones Electrónica nuclear Detección de radiación y seguridad nuclear Técnicas de preparación de muestras

25 Desarrollo de las técnicas t de análisis basadas en aceleradores Necesidad de mayores energías para experimentos en Física Nuclear y Física de Partículas Gran número de aceleradores pequeños alrededor del mundo Avance de la tecnología y otras ciencias con requerimientos de caracterización y modificación de materiales

26 Técnicas de análisis basadas en aceleradores de partículas Haz de iones Detector Muestra Radiación secundaria

27 Interacciones con un haz de iones Rayos X K Electrones Rayos X L Núcleo Rayos Gamma Iones incidentes Ion retrodispersado elásticamente Producto de Reacción Nuclear Electrón expulsado

28 Técnicas de análisis Retrodispersión de iones o de Rutherford (RBS) Emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) Análisis por reacciones nucleares (NRA) Emisión de rayos gamma inducida por partículas (PIGE) Análisis por detección de retrocesos elásticos (ERDA)

29 Técnicas de análisis Retrodispersión de iones (RBS) Iones Iones

30 Técnicas de análisis Emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) Iones Rayos X

31 Técnicas de análisis Análisis por reacciones nucleares (NRA) Iones Productos de Reacción (p, α, γ)

32 Técnicas de análisis Emisión de rayos γ inducida por partículas (PIGE) Iones Rayos γ

33 Técnicas de análisis Análisis por dispersión elástica de protones (PESA) Análisis por Detección de Retrocesos Elásticos (ERDA) Iones Átomos dispersados hacia adelante

34 Elementos estudiados H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U Np Pu AmCm Bk Cf Es Fm Md No ERDA, PESA PIGE, NRA RBS PIXE

35 Ventajas Técnicas multielementales No destructivas Altamente sensibles Económicas en análisis rutinarios Poca preparación de la muestra Pueden aplicarse varias técnicas simultáneamente

36 Desventajas No proporcionan información química Instrumentación costosa Personal sumamente especializado No dan resultados instantáneos