Contacto Nuclear Ok.p65

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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 12 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 13 Contacto Nuclear 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, El ININ hoy 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: • • • • 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. 14 Contacto Nuclear • • • • 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. • • • • • • • 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- El ININ hoy 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 15 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