CONTACTO NUCLEAR OK.P65

El ININ hoy
ACELERADORES
en la investigación y la industria
Por Juan Andrés Aspiazu Fabián
L
os aceleradores son una posibilidad
de entablar un “diálogo directo” con
los átomos que constituyen un material dado, ya que producen cierto
tipo de proyectiles con carga positiva (iones) que se utilizan como tales
para hacerlos colisionar contra los
átomos “blanco” del material en estudio, a velocidades tan altas que es
posible inducir una “respuesta característica” (radiación resultante)
de los átomos blanco, debido a la
energía que “absorben” durante la
colisión (ver ilustración de la página opuesta).
Un protón usado como proyectil con
una energía de 3 MeV tardaría un
¡segundo y medio en dar una vuelta
alrededor de la tierra!
Específicamente, la respuesta de los
átomos del material bajo estudio,
consiste en la emisión de rayos-X,
rayos-gamma o de partículas originadas en el núcleo del átomo, con
intensidades y energías únicas asociadas al átomo emisor. En ese sentido, pueden considerarse como sus
“huellas digitales”.
Así, la medición de la energía de radiación resultante y su conteo, permiten realizar el análisis cualitativo
y cuantitativo de todos los elementos presentes en el material. La
confiabilidad de este tipo de análisis es muy
alta y la precisión comúnmente es del orden
de partes por millón (ppm). En términos de
resolución, esto equivaldría a poder distinguir un objeto de ¡un metro en mil kilómetros! Estas ventajas son tan importantes que
existen varias veintenas de laboratorios con
aceleradores prácticamente en todo el mundo, donde en cada laboratorio solamente en
equipo se tiene una inversión de varios millones de dólares.
Los programas de investigación y desarrollo
de tales laboratorios incluyen el desarrollo
de las capacidades de análisis de los
aceleradores, la creación de nuevos materiales y la generación de neutrones por reacciones nucleares inducidas con iones. Se
generan nuevos materiales, ya que los iones
al depositar su energía en el material producen “defectos” en su arreglo atómico, además de que los iones pueden quedar “implantados” en el mismo, creándose así una zona
con propiedades nuevas del material distintas a las iniciales. Para los propósitos de
modificación de materiales o implantación de
iones, hay en el mundo alrededor de 7000
aceleradores “implantadores”.
La producción de neutrones por interacción
con iones, es una opción a la obtención de los
mismos con fuentes radiactivas, con la ventaja adicional de que se puede seleccionar la
energía del neutrón entre un mayor número
de valores si se utilizan el proyectil y el átomo blanco apropiados.
Los conocimientos adquiridos en el campo de
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Contacto Nuclear
los aceleradores, se aplican en investigación interdisciplinaria, desarrollos tecnológicos y análisis especializados, por ejemplo, usando
“micro-haces” (haces de proyectiles
con un diámetro de milésimas de milímetro. Una célula del cuerpo humano en promedio tiene un diámetro de ¡10 milésimas de milímetro!)
o también utilizando la técnica de
espectrometría de masas isotópicas
(AMS) cuya precisión de conteo es
de 1 átomo en 1015. Por analogía,
esto equivale a poder medir un metro en aproximadamente ¡3 000
vueltas completas de la tierra al sol!
En geología, el fechado de muestras
usando AMS se puede extender hasta miles ¡de millones de años!, magnitud similar a la edad de la Tierra.
Otras técnicas analíticas asociadas
con aceleradores son: PIXE, RBS,
NRA, CHANNELING, DIXE,
PIGE, EFA, NFS, ERDA,
EXTERNAL BEAM, etc., teniendo
cada una de ellas ciertas ventajas
respecto a las otras bajo determinadas condiciones experimentales, por
lo cual, para análisis más completos se combina la aplicación de dos
o más técnicas. Entre las ramas científicas donde las técnicas analíticas
mencionadas tienen mayor potencial
de aplicación, se cuentan la geología, agricultura, estado sólido, ambientales, medicina, materiales,
biología, antropología, etc.
Las áreas industriales donde mayormente se explotan las ventajas analíticas de los aceleradores son la electrónica, la minera, la petrolera y la
metalurgia. Existen por ejemplo decenas de micro-haces dedicados a la
industria de semiconductores como
los de Singapur donde trabaja uno
de los principales pioneros de los
micro-haces de Hardwell, el Dr. J.
Whatt. En Australia el centro de investigaciones CSIRO patrocina importantes investigaciones en minería
para prospección de yacimientos
minerales, mantos petrolíferos, inclusiones de fluidos en redes cristalinas de minerales, etc. Estos estudios, donde principalmente se determinan elementos traza (concentraciones de ppm), derivan en la determinación del potencial económico de
la explotación de los yacimientos.
Otros ejemplos de importancia son:
•
En Albany NY E.U., el grupo
del Dr. William A. Lanford, estudia con fines energéticos e industriales, el contenido de hidrógeno en materiales, el uso del
cobre en la metalización en
microelectrónica y los efectos de los rayos cósmicos en dispositivos electrónicos.
•
•
En el MARC de Australia el grupo encabezado por el Dr. David N. Jamieson;
entre diversos estudios que se llevan a
cabo orientados a la computación, están
los procesos que forman arreglos ordenados de átomos de fósforo implantados
en silicio, los cuales forman “trampas de
carga” en la matriz, cuyos efectos producidos por las propiedades de los átomos de fósforo, además de un proceso de
templado térmico, se espera ayuden a
construir lo que se denominaría “computadora cuántica”. También en dicho laboratorio, se ha desarrollado la técnica
IBIC (Ion Beam Induced Charge) que es
útil para medir las características eléctricas de dispositivos electrónicos como
circuitos integrados, celdas solares y
otros materiales electrónicos.
En cuanto al impacto ambiental que produce la actividad industrial, existen por
ejemplo redes de monitoreo para la recolección de aerosoles en la atmósfera para
posteriormente determinar su contenido
elemental por la técnica PIXE (Proton
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Induced X-ray Emission). El
contenido elemental de los
aerosoles (“fingerprints”) permite identificar a los principales emisores de contaminación
atmosférica, como actividad industrial, vehículos automotores
o actividad antropogénica. Este
tipo de estudios se lleva a cabo
de forma rutinaria en diversas
ciudades, como los realizados en
la ciudad de Yakarta, donde mediante un sistema automatizado
de colectores de aerosoles y su
análisis con aceleradores, se llevó a cabo un estudio de 14 000
muestras durante un año para
tales propósitos.
El Departamento del Acelerador del
ININ cuenta con un acelerador Tándem Van de Graff de 6 MV en terminal (EN) con dos fuentes de iones,
una tipo DUOPLASMATRON para
producción de protones y deuterones
y la segunda tipo SNICS (Source of
Negative Ions by Cesium
Sputtering) para la obtención de
iones de átomos más pesados que el
hidrógeno como Li, B, C, Al, Au,
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Llegada del acelerador Van de Graaff al Centro Nuclear, por ferrocarril
etc. La resolución en energía del
imán analizador del acelerador para
protones, es de aproximadamente 10
keV. En la “sala” de experimentos,
se tienen disponibles 5 líneas de
“bombardeo”, cada una de ellas
adaptada para la aplicación específica de alguna de las técnicas analíticas arriba mencionadas. Por sus características y capacidades, el Tándem y equipo asociado son herramientas analíticas únicas en el país
para la realización de cierto tipo de
estudios. Se cuenta adicionalmente
con un laboratorio de preparación de
muestras
y
un
sistema
SPUTTERING para la producción
de películas metálicas delgadas con
propiedades especiales.
Los sistemas para analizar la información obtenida de los experimentos cuentan con electrónica conven-
cional NIM o CAMAC para adquisición y
procesamiento de las señales provenientes de
los detectores instalados en las cámaras de
irradiación, así como con programas especializados de cómputo para el estudio de procesos atómicos o nucleares y para el análisis
de los espectros obtenidos por distintas técnicas. La mayor parte de este software ha sido
desarrollado en el mismo laboratorio.
Así, algunos de estos proyectos son:
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•
•
Entre los proyectos que se llevan a cabo, en
algunos casos como parte de convenios o colaboraciones de investigación, se cuentan los
de investigación básica en estructura nuclear,
los de desarrollo de las capacidades de análisis de las técnicas nucleares y los
interdisciplinarios donde colaboran científicos, con formación en distintas ramas, con el
objetivo principal de obtener información fundamental para resolver u orientar la solución
de un determinado problema de investigación,
mediante la aplicación de las técnicas nucleares.
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Fusión debajo de la barrera en
el sistema 12C + 12C → 24Mg
Determinación de espines y paridades en 10Be usando d(9Be,
10
Be)p
Medida de sección de rayos-X,
producidos por iones pesados
Medidas de sección de frenado
de iones pesados en diferentes
materiales
Medidas de sección de dispersión de iones pesados en diferentes núcleos
Modificación de materiales con
iones energéticos (> 1 MeV)
Espectroscopía de curva de
Bragg
Medida de la sección total del
berilio-nueve en el intervalo de
energía del neutrón entre uno y
diez MeV.
•
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•
•
•
•
Estructura de los isótopos de
berilio y la búsqueda del
dineutrón.
Secciones de emisión gama de
reacciones (d,p) y (d,α) en C, N
y O.
Interacción de núcleos exóticos
con blancos pesados.
Uso de la técnica de la partícula
asociada para el estudio de los
rayos gamma asociados con la
dispersión inelástica de
neutrones. (8.0-En- 14.0 MeV)
en C, N, O, H.
Instalación del inyector de alto
voltaje para la fuente de iones
pesados de acelerador Tándem
Diseño y construcción de un prototipo de monitor de neutrones.
Aplicación y desarrollo de técnicas analíticas asociadas al
Tándem en campos como ciencias ambientales, minería y modificación de materiales de interés metalúrgico o estado sólido.
Como ejemplos, se ha determinado el contenido de metales en
garden roofs utilizados para el
monitoreo de contaminación at-
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mosférica, las concentraciones de metales preciosos y tierras raras en concentrados de mineral, las proporciones elementales en nuevas fases de
intermetálicos aluminio-zinc, la difusión
de cobre en piezas mecánicas de moldeo
utilizadas en la industria vidriera,
implantaciones de boro en matrices de
diamante, etc. También se han estudiado
muestras metálicas enviadas al laboratorio por la Central Nuclear de Laguna
Verde para su caracterización elemental
como parte de control de procesos.
Los proyectos en su mayoría se desarrollan
en colaboración con asociaciones, instituciones o centros de investigación científicos,
como la División de Física de Radiaciones
de la Sociedad Mexicana de Física, el Instituto de Física de la UNAM, el Colegio de
Posgraduados de la Universidad de
Chapingo, el Laboratorio de Análisis Fractal del Instituto de Geología
de la UNAM, el INAH, el INAOE,
CINVESTAV y por mencionar algunos en el extranjero, Oak Ridge
NL y la Universidad de Notre Dame,
ambos en EU.
En cuanto al futuro de los
aceleradores, existen planes de desarrollo basados en las nuevas ventajas que los avances de la tecnología actual ofrecen, en cuanto a detección de radiación, sistemas electrónicos y super cómputo. Esto justifica por ejemplo, que el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) cuente, para la próxima
década, con varios programas de
cooperación técnica para la promoción del uso de la tecnología de
aceleradores, reconociéndose así su
enorme impacto no sólo en las áreas
antes mencionadas sino también en
la implementación de políticas sociales en sectores como energía, educación y salud. ❉
Glosario
Laboratorio de experimentos del acelerador Tandem Van de Graaff del ININ
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Contacto Nuclear
MeV.- Un millón de electrón volts. Medida de energía
AMS.- Accelerator Mass Spectrometry
PIXE.- Proton Induced X-ray Emission
RBS.- Rutherford Back Scattering
DIXE.- Deuteron Induced X-ray
Emission.
NRA.- Nuclear Reaction Analysis
NFS.- Neutron Fast Spectroscopy
ERDA.- Elastic Recoil Detection
Analysis
MARC.- Micro Analytical Research
Center
Sputtering.- Devastar por medio de colisiones con iones
Dineutrón.- Emisión de dos neutrones
simultáneamente
INAOE.- Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (UNAM,
Tonanzintla, Pue.)
En.- Energía del neutrón