Determinación de los efectos característicos mediante la

 Determinación de los efectos característicos mediante la Difracción de rayos X
DRX inducidos por la
radiación gamma en los superconductores de alta
temperatura (Bi2Sr2Ca2CuO8).
INTRODUCCION El desarrollo de la Energética Nuclear y de otras tecnologías relacionadas con el uso
pacífico del átomo, las investigaciones básicas en el campo de la Física de las altas
energías y las partículas elementales, así como la exploración cósmica y ramas afines,
demandan de la comunidad científica el desarrollo de materiales con propiedades cada
vez más extremas y lo más estables posible en ambientes radiacionales agresivos. Esto
se vincula no sólo con los intereses tecnológicos, sino también con las crecientes
exigencias de protección medioambiental
Todo tipo de material, de una manera u otra, se ve afectado por la interacción de las
radiaciones con su estructura, por lo que conocer la evolución de sus propiedades en el
tiempo con el crecimiento de la dosis constituye un punto imprescindible para el uso
confiable y seguro de los dispositivos e instalaciones basado en ellos.
Dentro de los materiales de avanzada de más amplia y acelerada introducción práctica
en las ciencias nucleares se encuentran las cerámicas y de ellas se puede mencionar a
los superconductores de altas temperatura (SAT), que en los últimos tres lustros han
evolucionado de forma vertiginosa y alcanzado un extraordinario abaratamiento de los
costos de explotación
Cuando se compara con otras emisiones radioactivas, la gran ventaja de la radiación
gamma está en su longitud de relajación, que para energías de unos pocos MeV puede
llegar a ser de varios centímetros. Esto posibilita realizar estudios en muestras masivas,
como por ejemplo los SAT que nos ocupan, sin vernos limitados a emplear sólo blancos
delgados.
En este trabajo partimos de la hipótesis inicial que existe una correlación entre la dosis
gamma y las propiedades de los materiales Superconductores de Alta Temperatura SAT
(Bi2Sr2Ca2CuO8), en conformidad con el conocimiento físico actual, que reconoce una
acción y efectos tangibles de la radiación gamma sobre los materiales sólidos,
Tambien se tiene una fuerte correlación entre las propiedades microscópicas y
macroscópicas del SAT con las características de la estructura cristalina del material, así
como con aquellas que se derivan de su estado de agregación, la morfología de sus
granos y diferentes fases presentes y textura cristalina
El presente trabajo se plantea los objetivos que a continuación se relacionan:
. Establecer las particularidades del daño radiacional gamma a diferentes energías en los
materiales cerámicos superconductores SAT.
Dentro de este objetivo general se plantean como objetivos específicos:
• Determinar la distribución espacial de la dosis depositada por la radiación gamma,
estableciendo la influencia de la geometría del experimento.
Como segundo objetivo de la investigación nos proponemos:
Determinar los efectos característicos que induce la radiación gamma a bajas dosis en
los superconductores SAT a escala macroscópica.
•
Determinar la efectividad de las radiaciones gamma para crear centros de anclajes
en SAT.
Naturaleza y fuentes de rayos gamma. La radiación gamma o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por
tanto formada por fotones. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma
constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más
profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave
daño al núcleo de las células.
La energía de esta naturaleza se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un MeV
corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 − 11 m o frecuencias
superiores a 1019 Hz.
Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel o estado
excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los
rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se
producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. (1)
Interacción con la materia
Cuando un rayo gamma pasa a través de la materia, la probabilidad de absorción en una
capa fina es proporcional a la delgadez de dicha capa, lo que lleva a un decrecimiento
exponencial de la intensidad.
Aquí, μ = n×σ es el coeficiente de absorción, medido en cm–1, n el número de átomos
por cm3 en el material, σ el espectro de absorción en cm2 y d la delgadez del material
en cm.
Pasando a través de la materia, la radiación gamma principalmente ioniza de tres
formas: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la creación de pares.
Efecto Fotoeléctrico: Se describe cuando un fotón gamma interactúa con un electrón
atómico y le transfiere su energía, expulsando a dicho electrón del átomo. La energía
cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente
menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico es el mecanismo de
transferencia de energía dominante para rayos x y fotones de rayos gamma con energías
por debajo de 0.5 MeV (millones de electronvoltios), pero es menos importante a
energías más elevadas. Efecto Compton: Se refiere a la interacción donde un fotón gamma incidente hace ganar
suficiente energía a un electrón atómico como para provocar su expulsión. Con la
energía restante del fotón original se emite un nuevo fotón gamma de baja energía con
una dirección de emisión diferente a la del fotón gamma incidente. La probabilidad del
Efecto Compton decrece según la energía del fotón se incrementa. El Efecto Compton
se considera que es el principal mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de
energía intermedio entre 100 keV a 10 MeV (Megaelectronvoltio), un rango de energía
que incluye la mayor parte de la radiación gamma presente en una explosión nuclear. El
efecto Compton es relativamente independiente de número atómico del material
absorbente.
Creación de pares: Debido a la interacción de la fuerza de Coulomb, en la vecindad del
núcleo, la energía del fotón incidente se convierte espontáneamente en la masa de un
par electrón-positrón. Un positrón es la antipartícula equivalente a un electrón; tiene la
misma masa de un electrón, pero tiene una carga positiva de igual fuerza que la carga
negativa de un electrón. La energía excedente del equivalente a la masa en reposo de las
dos partículas (1,02 MeV) aparece como energía cinética del par y del núcleo. El
positrón tiene una vida muy corta (sobre 10–8 segundos). Al final de su periodo, se
combina con un electrón libre. Toda la masa de estas dos partículas se convierte
entonces en dos fotones gamma de 0,51 MeV de energía cada uno. (2)
A continuación se muestra un ejemplo de producción de rayos gamma.
Primero 60Co se descompone en 60Ni excitado:
Entonces el 60Ni cae a su estado fundamental emitiendo dos rayos gamma seguidos uno
del otro.
Los materiales superconductores.
El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911 por Heike KarmerlinghOnnes al observar que la resistividad del mercurio se anulaba por completo por debajo
de los 4.2 K, temperatura a la que llamó crítica (Tc) (3), y que la adición de impurezas al
mercurio no ocasionaba la aparición de resistencia residual, fenómenos que violaban la
teoría clásica de la conductividad eléctrica en los metales (4).
J. Bardeen, L. Cooper y J. Schrieffer en 1957 publicaron su teoría (BCS), que por
primera vez ponía de manifiesto el mecanismo microscópico de la superconductividad.
Partiendo de la existencia de los pares de Cooper, postulan que su comportamiento se
puede describir por una función de onda de una variable espacial. Formulan la
existencia del vano energético (gap) que explica muchas de las propiedades de los
superconductores, como el efecto Meissner.
Un gran aporte a la teoría BCS lo hicieron los científicos N. N. Bogoliúbov (5) y L. P.
Górkov (6), mientras que un trabajo clave para su comprensión y aplicación práctica lo
constituyó el realizado por B. Josephson (7), quien en 1962 predijo los efectos
estacionarios y los no estacionarios de la llamada superconductividad débil.
En 1986 se anuncia la aparición de los primeros signos de superconductividad a 35 K en
el sistema Ba-La-Cu-O por parte de G. Bednorz y A. Müller (8) y apenas un año después
aparece reportado el primer óxido superconductor de Y-Ba-Cu-O con valores de Tc ~
90 K. Después de este acontecimiento se ha descubierto un grupo considerable de
nuevos superconductores de altos valores de Tc, todos cerámicas, que han logrado
alcanzar temperaturas de transición de hasta 133 K (9)
DibismuthDistrontiumCalciumDicopperOxide
Cu1
Fig 1 Estructura del Bi2Sr2CaCu2O8.
El número de publicaciones aparecidas en la literatura especializada sobre el tema de los
efectos de la radiación gamma sobre los SAT es muy limitada, especialmente si se le
compara con aquella que se dedica al estudio de los efectos que tienen los haces de
partículas cargadas y neutrones sobre blancos SAT
No obstante encontramos un número importante de artículos cuyas conclusiones no
convergen en un resultado único, todo lo contrario, pudiendo ser clasificados en tres
grupos en cuanto a los resultados que se reportan.
El primer grupo incluye aquellos trabajos que reportan no haber encontrado ninguna, o
muy despreciable, modificación en el comportamiento de las propiedades de los SAT
irradiados con radiación gamma.
El segundo grupo incluye aquellos trabajos que refieren haber encontrado que la
radiación γ resulta nociva para las propiedades galvanomagnéticas de los SAT.
Los autores de (10) al irradiar con 60Co y dosis de 3 mGy disímiles muestras de BSCCO
y BPSCCO con diferentes relaciones Bi/Pb, encontraron que el proceso se acompaña de
un decrecimiento pequeño de Tc, más marcado para las muestras dopadas.
Otra cerámica, esta vez Bi1.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3Ox, fue irradiada en
(11)
hasta alcanzar 240
kGy a temperatura ambiente, reportándose que la Jct decrece constantemente con la
dosis.
Por último tenemos el tercer grupo, que recoge aquellos otros trabajos que reportan
haber observado que la radiación γ resulta beneficiosa para el material, mejorando sus
propiedades superconductoras y estructurales.
En (12) se irradiaron con 60Co muestras de (Y-Sm)Ba2Cu3O7-δ a temperatura ambiente y
los autores aseguran que la superconductividad en ese material no sólo se preserva, sino
que en condiciones específicas y controladas se fortalecen.
Los autores de (12) irradian cerámicas y monocristales de YBCO con 60Co a la
temperatura de 80 K reportando la existencia de un “efecto de muestra”. A débiles
campos γ, el ancho de la transición superconductora, ΔTc, se estrecha y crece la Tc.
Observan la invariabilidad de la resistividad eléctrica (ρ) con la dosis.
En (13) se irradian muestras masivas de Bi1.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O10 a temperatura ambiente
con 60Co hasta la dosis de 500 kGy. Se observó un fortalecimiento de la temperatura de
transición acompañado de un crecimiento de la resistividad del estado normal.
El trabajo (14) se dedica a irradiar cerámicas de YBCO con 60Co a las dosis de 5, 25, 125
y 600 Gy. Aquí los autores observan que la corriente crítica intragranular, Jcg,
determinada por métodos magnéticos, aumenta en un factor de 1.5 por cada 125 Gy de
dosis y lo relacionan con la posible formación de centros de anclaje de flujo efectivos.
El artículo (15) reporta que al irradiar cerámicas de Bi2Sr2CaCu2O8+y a diferentes dosis
de 60Co se observa un aumento de Tc que se pierde al alcanzar los 648 kGy.
Se estudian en (16) los efectos que tiene sobre los SAT la radiación γ a bajas dosis,
concluyéndose que se estimula la reacción entre las impurezas de fase del material y el
aire ambiental, aumentando así las propiedades de conducción de las fronteras de los
granos.
Finalmente, en (17) explican sus autores, que la radiación γ del 60Co al incidir sobre
cintas del tipo BPSCCO recubiertas de Ag es capaz de generar defectos que fortalecen
las fronteras granulares y hacen disminuir el número de enlaces débiles, y de este modo
mejora la densidad de corriente crítica de la cinta.
TÉCNICA EXPERIMENTAL Y DE CÁLCULO.
En la determinación de las modificaciones sufridas por los parámetros de la red en las
muestras irradiadas se emplea la técnica de DRX, en un
difractómetro DRON-4,
utilizando la línea Kα del espectro de emisión del cobre.
El proceso de refinamiento de los parámetros de la red, el procesamiento matemático de
los datos experimentales así como todos los ajustes se efectuaron
mediante los
programas FULLPROF, ORIGIN, POWDER X y la base de datos ICSD 2008
Las muestras de BSCCO fueron suministradas por el CEADEN y la irradiación con
Co60 se realizó en un Irradiador Gamma modelo MX-30 de dicho centro, calibrado a una
potencia de dosis de 46.10 KGy, el proceso de irradiación tuvo lugar a temperatura
ambiente. Se planificaron, 3 valores de dosis de radiación.
Las muestras de BSCCO fueron preparadas a partir de una fibra cilíndrica, crecida por
el método de “reacción en estado sólido” y texturada por la técnica de “fusión zonal
asistida por láser”
En la figura se presenta parte del resultado de la caracterización por DRX del
superconductor
BSCCO, se observa el patrón de difracción sin-irradiadar,
correspondiente a la ficha 800396 de la Power Diffraction File (PDF) 2003 y el patrón
de difracción del BSCCO después de irradiada, observándose un ligero cambio en el
difractograma con la aparición de un pico en 4.12 ºA en la posición angular 2θ=21,49.
01
0)
(0
2)
01
(2
(1015)
(1110)
(200)
(204)
(103)
4.12 A
(215)
(217)
(008)
(105)
(107)
(110)
(0012)
-1
Conteos S
Bi-2212 sin irradiar
Bi-2212 Irradiada
0
0
20
40
60
80
2θ
Difractogramas Bi2Sr2CaCu2O8.
Se esta trabajando en el indexado del difractograma, para la asignación de los índices de
Miller y posterior refinamiento, asi como la determinación de sus propiedades
superconductoras
CONCLUSIONES.
Se observó que la estructura del SAT Bi2Sr2CaCu2O8 es modificada por la radiación
gamma. De ello resulta de especial interes el estudio de las propiedades
supercondutoras.
Recomendaciones.
Continuar con la resolución del difractograma de la muestra BSCCO irradiada y
establecer la influencia de la radiación gamma sobre la estructura del superconductor.
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