An Aná álisis por reacciones nucleares (NRA)

An
An áá lisis por reacciones nucleares (NRA) Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México Escuela de Verano en Física 2001
Contenido • Tipos de análisis • Principios físicos • Instrumentación básica • Aplicaciones
Tipos de an
Tipos de an áá lisis • Reacción que produce núcleos cuya radiactividad se mide posteriormente: Análisis por activación • Reacción cuya radiactividad se mide de manera inmediata
Tipos de reacciones nucleares • Una partícula cargada se dispersa elásticamente debido al núcleo cargado, como en RBS o dispersión nuclear elástica • Las partículas excitan el núcleo, llevándolo a un estado de mayor energía, de manera que el núcleo se desexcita por medio de la emisión de un fotón g • Se produce un núcleo distinto durante la interacción
Cantidades conservadas en reacciones nucleares • Conservación de los nucleones (A)
• Conservación de la carga (Z)
• Conservación de la masa­energía (E)
• Conservación del momento (P)
Principios f
Principios f íí sicos
sicos a + b Reactantes c + d Productos
Za + Z b = Z c + Z d A a + A b = A c + A d Diferencia en masa en una reacci
reacci óó n nuclear X + a ® Y + b ± Q 2 2 Q = ( M X + M a ) c - ( M Y + M b ) c Q
Q < 0 : Reacción endoérgica
< 0 : Reacción endoérgica Q
Q > 0 : Reacción exoérgica
> 0 : Reacción exoérgica Reacci
Reacci óó n nuclear
n nuclear A Z X A +1 Z +1 A -3 Z -1 X X g
g
Protón g
a
g
g
g
b
A -3
Z X Variantes en NRA • Se estudia la energía del producto de la reacción – Útil cuando la sección eficaz de la reacción es una función suave de la energía del ion • Se mide la intensidad de las emisiones – Hay “picos” en la sección eficaz de la reacción como función de la energía del ion (resonancia )
Dispositivo experimental para NRA
para NRA Secci
Secci óó n eficaz para una reacci
n eficaz para una reacci óó n nuclear 100 12 13 C(d, p) C
q = 165°
80 s (b) 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 Energía del Ion (MeV)
2500 3000 Espectro de NRA para una pel
pel íí cula de Co 3 O 4 8 0 0 1 2 1 3 C ( d ,p 0 ) C 1 6 1 7 O ( d ,p 1 ) O
1 6 1 4 O ( d , a 0 ) N 4 0 0 1 6 1 7 O ( d ,p 0 ) O 0 1 6 0 0 2 4 0 0 3 2 0 0 Secci
Secci óó n eficaz para resonancia
n eficaz para resonancia Gb s (a , b ) = s c ( a ) G
· s c (a) es la sección eficaz para la formación del núcleo compuesto
· G b/G es la probabilidiad relativa de la emisión b
Secci
Secci óó n eficaz para resonancia
n eficaz para resonancia Ga Gb l 2 s (a , b ) = 4 p (E - E )2 + G
R ( 2 ) 2 • l es la longitud de onda de De Broglie del ion incidente • E es su energía de incidencia • E R es la energía a la cual ocurre la resonancia.
Curvas de excitaci
Curvas de excitaci óó nn Haz de iones
Detector qi x
0 ¥
Ng ( E 0 ) = ò ò C ( x ) s ( E ) W ( E 0 ; E , x ) dEdx E 0 0 Curvas de excitaci
Curvas de excitaci óó nn 0 ¥
Ng ( E 0 ) = ò ò C ( x ) s ( E ) W ( E 0 ; E , x ) dEdx E 0 0 • C: Concentración del isótopo • s : Sección eficaz a la energía E • W: Probabilidad de que el ion lleve la energía E a la profundidad x, dada la energía de incidencia E 0
Dispositivo experimental Muestra Detector Acelerador Imán Analizador Contador Maestro A
Contador Esclavo Analizador Monocanal Analizador monocanal Ancho de ventana DE Línea de base E
Dispositivo semiautom
Dispositivo semiautom áá tico Muestra Imán analizador
Detector Acelerador Computadora 2 Sonda Hall Contador esclavo Compuerta Computadora 1 Contador Maestro Analizador monocanal A Detector de centelleo Luz
Radiación Centellador Fotomultiplicador Electrónica Adquisici
Adquisici óó n de curvas de excitaci
excitaci óó nn Curva de excitaci
excitaci óó n 19 F(p,
F(p, ag) 16 O 668 keV
340 keV 598 keV 484 keV 19 16 19 F(p,
F(p,ag) ag) 16 OO Curva de excitaci
excitaci óó n para una pel
una pel íí cula con 19 F Curva de excitaci
excitaci óó n para una pel
pel íí cula de CaF 22 19 16 19 F(p,
F(p,ag) ag) 16 OO Curva de excitaci
excitaci óó n para un sistema multicapas con 19 F Resonancias (p,
(p, g) de uso com
com úú n para energ
energ íí as menores que 1 MeV R eacci ó n E p ( k eV ) 7 L i ( p , g ) 8 B e 4 4 1 .4 9 B e( p , g ) 1 0 B 3 1 9 1 1 B ( p , g ) 1 2 C 1 6 3 1 2 C ( p , g ) 1 3 N 4 5 7 1 3 C ( p , g ) 1 4 N 5 5 1 14 N ( p , g ) 1 5 O 2 7 8 1 5 N ( p , a g ) 1 2 C 4 2 9 1 8 O ( p , g ) 19 F 6 3 0 2 2 4 .0 3 4 0 .5 4 8 3 .6 5 9 4 6 6 8 8 3 2 8 7 2 .1 9 0 2 9 3 5 1 9 F ( p , a g ) 16 O 2 3 N a( p , g ) 24 M g 27 A l ( p , g ) 28 Si 3 0 9 6 3 2 9 9 2 3 0 Si ( p , g ) 31 P 620
Calibraci
Calibraci óó n de la energ
n de la energ íí a en un acelerador electrost
acelerador electrost áá tico
tico B q
q, m R q 2 B 2 R 2 E c = 2 m E c
Calibraci
Calibraci óó n de la energ
n de la energ íí a en un acelerador electrost
acelerador electrost áá tico
tico e( B 2 ) = (8 . 02 ´ 10 -4 ± 7 . 4 ´ 10 -6 )B 2 - ( 13 ± 5 ) Ventajas de NRA • Permite analizar elementos ligeros • Mejora la sensibilidad para algunos de estos elementos • Puede dar información en profundidad • Es muy útil para calibrar la energía en los aceleradores
Desventajas de NRA • Se requieren iones específicos • Sólo funciona con isótopos seleccionados • Las secciones eficaces son menores que en otros métodos • La información en profundidad se empobrece por las fluctuaciones de energía