Aceleradores de Partiacuteculas Parte I

Coleccioacuten

Informes Teacutecnicos

21999

Aceleradores de

Partiacuteculas

Parte I

EDITORES

Rafael Caro Gustavo Loacutepez Ortiz M Fernanda Saacutenchez Ojanguren

Coleccioacuten Informes Teacutecnicos 2 1998

ir S il

Parte I

AUTORES

Rafael Caro (CSN)

Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)

Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)

Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)

Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)

Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)

J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)

Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)

Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)

Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)

Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)

CONSEJO DEidJi SEGURIDAD NUCLEARS N -~

Coleccioacuten Informes Teacutecnicos Referencia INT-IO02

copy Copyrighr 1999 Consejo de Seguridad Nuclear

Edira y distribuye Consejo de Seguridad Nuclear Jusro Dorado J J 28040 Madrid Espantildea hrtpwwwcsnes pericionescsnes

Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA

ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999

Aceleradores de

Partiacuteculas

Parte I

EDITORES

Rafael Caro Gustavo Loacutepez Ortiz M Fernanda Saacutenchez Ojanguren

Coleccioacuten Informes Teacutecnicos 2 1998

ir S il

Parte I

AUTORES

Rafael Caro (CSN)

Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)

Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)

Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)

Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)

Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)

J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)

Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)

Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)

Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)

Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)

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Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA

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Parte I

AUTORES

Rafael Caro (CSN)

Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)

Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)

Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)

Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)

Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)

J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)

Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)

Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)

Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)

Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)

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ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999

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iexclJ modo el e presen iacioacuten

Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores

En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo

Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente

111 iacutel eI eJ 1o

Consejero del CSN

7

El descubrimiento de la radiactividad natural por

Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia

una importantiacutesima propiedad de nuestro universo

fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten

sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la

mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios

cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy

nes nucleares procedentes de las desintegraciones

radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en

lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy

cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio

humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo

que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia

como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de

hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo

que ahora tan familiarmente llamamos estructura

nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada

en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa

nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy

do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy

tar ni una mileacutesima de la masa

Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy

gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y

naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes

minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy

cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy

mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la

caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que

gobiernan el movimiento de los planetas

Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy

villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad

natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas

con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente

en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos

fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la

sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy

do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy

radores

Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy

sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en

su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le

serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de

Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy

9

te reverenciados como padres de esta historia de la

que se derivan los actuales aceleradores que ocupan

decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy

ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los

bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que

desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez

mil millones de antildeos

El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy

res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el

motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin

querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy

samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero

la utilidad de los aceleradores ha trascendido el

campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se

encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy

nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas

Directamente aplicados al paciente o usando su

radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy

bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea

herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy

mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La

histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy

da y la determinacioacuten precoz de malformaciones

ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy

mentales para luchar contra todo tipo de tumores

Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy

da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio

minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel

atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que

podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de

positrones y otras teacutecnicas parejas

El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo

sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute

que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de

muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy

mos de nucleidos que emitan positrones y por ende

hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy

ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar

dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea

El campo de los aceleradores ha sido uno de los

menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en

los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un

gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico

que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy

tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy

dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado

un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones

con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy

dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute

que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante

como algunas perspectivas contemplan

En este libro se presenta yo diriacutea que por primera

vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del

mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy

do no obstante la salvedad que este mundo es muy

vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy

tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy

cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas

Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la

atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y

que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y

seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de

Seguridad Nuclear

Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde

que los pioneros de esta especialidad iniciaron su

andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy

radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de

la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En

plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse

que es mucho lo que ha pagado la humanidad para

propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va

siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la

sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo

que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta

comunidad nuclear creemos que ello es posible

Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables

residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con

aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy

noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea

econoacutemico y sobre todo seguro

Los aceleradores son aparatos complejos pero su

funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy

te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y

disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo

cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy

ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo

de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy

cioacuten al tema

JO

Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy

cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir

esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy

ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof

Rafael Caro maestro de tantas promociones

nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par

que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual

hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones

que tienen los intelectuales es dar a la imprenta

sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy

var al mejor desarrollo del conocimiento humano

y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas

por parte de los autores De ahiacute que me permita

parafrasear para alabar este libro una de las senshy

tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de

la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo

Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales

Universidad Politeacutecnica de Madrid

Sumari o

A modo de presentacioacuten 7

Proacutelogo 9

Sumario 13

Capiacutetulo I 15

Capiacutetulo II 27

Capiacutetulo III 47

Capiacutetulo IV 83

Capiacutetulo V 97

Capiacutetulo VI 131

Capiacutetulo VII 151

Capiacutetulo VIII 169

Autores 193

Iacutendice de contenidos 199

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

El descubrimiento de la radiactividad natural por

Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia

una importantiacutesima propiedad de nuestro universo

fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten

sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la

mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios

cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy

nes nucleares procedentes de las desintegraciones

radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en

lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy

cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio

humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo

que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia

como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de

hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo

que ahora tan familiarmente llamamos estructura

nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada

en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa

nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy

do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy

tar ni una mileacutesima de la masa

Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy

gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y

naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes

minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy

cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy

mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la

caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que

gobiernan el movimiento de los planetas

Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy

villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad

natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas

con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente

en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos

fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la

sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy

do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy

radores

Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy

sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en

su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le

serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de

Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy

9

te reverenciados como padres de esta historia de la

que se derivan los actuales aceleradores que ocupan

decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy

ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los

bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que

desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez

mil millones de antildeos

El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy

res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el

motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin

querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy

samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero

la utilidad de los aceleradores ha trascendido el

campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se

encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy

nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas

Directamente aplicados al paciente o usando su

radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy

bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea

herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy

mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La

histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy

da y la determinacioacuten precoz de malformaciones

ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy

mentales para luchar contra todo tipo de tumores

Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy

da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio

minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel

atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que

podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de

positrones y otras teacutecnicas parejas

El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo

sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute

que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de

muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy

mos de nucleidos que emitan positrones y por ende

hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy

ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar

dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea

El campo de los aceleradores ha sido uno de los

menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en

los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un

gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico

que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy

tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy

dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado

un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones

con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy

dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute

que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante

como algunas perspectivas contemplan

En este libro se presenta yo diriacutea que por primera

vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del

mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy

do no obstante la salvedad que este mundo es muy

vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy

tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy

cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas

Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la

atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y

que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y

seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de

Seguridad Nuclear

Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde

que los pioneros de esta especialidad iniciaron su

andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy

radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de

la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En

plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse

que es mucho lo que ha pagado la humanidad para

propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va

siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la

sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo

que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta

comunidad nuclear creemos que ello es posible

Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables

residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con

aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy

noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea

econoacutemico y sobre todo seguro

Los aceleradores son aparatos complejos pero su

funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy

te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y

disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo

cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy

ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo

de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy

cioacuten al tema

JO

Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy

cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir

esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy

ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof

Rafael Caro maestro de tantas promociones

nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par

que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual

hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones

que tienen los intelectuales es dar a la imprenta

sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy

var al mejor desarrollo del conocimiento humano

y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas

por parte de los autores De ahiacute que me permita

parafrasear para alabar este libro una de las senshy

tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de

la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo

Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales

Universidad Politeacutecnica de Madrid

Sumari o

A modo de presentacioacuten 7

Proacutelogo 9

Sumario 13

Capiacutetulo I 15

Capiacutetulo II 27

Capiacutetulo III 47

Capiacutetulo IV 83

Capiacutetulo V 97

Capiacutetulo VI 131

Capiacutetulo VII 151

Capiacutetulo VIII 169

Autores 193

Iacutendice de contenidos 199

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

Editorial Madrid 1983

3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual

Report 1966

4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)

Cyclotrons linaes and their applieations S Turner

Ginebra

5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo

XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985

8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

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New York 1980

9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP

Press New York 1994

10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

te reverenciados como padres de esta historia de la

que se derivan los actuales aceleradores que ocupan

decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy

ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los

bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que

desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez

mil millones de antildeos

El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy

res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el

motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin

querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy

samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero

la utilidad de los aceleradores ha trascendido el

campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se

encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy

nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas

Directamente aplicados al paciente o usando su

radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy

bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea

herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy

mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La

histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy

da y la determinacioacuten precoz de malformaciones

ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy

mentales para luchar contra todo tipo de tumores

Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy

da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio

minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel

atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que

podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de

positrones y otras teacutecnicas parejas

El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo

sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute

que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de

muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy

mos de nucleidos que emitan positrones y por ende

hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy

ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar

dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea

El campo de los aceleradores ha sido uno de los

menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en

los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un

gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico

que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy

tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy

dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado

un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones

con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy

dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute

que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante

como algunas perspectivas contemplan

En este libro se presenta yo diriacutea que por primera

vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del

mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy

do no obstante la salvedad que este mundo es muy

vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy

tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy

cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas

Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la

atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y

que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y

seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de

Seguridad Nuclear

Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde

que los pioneros de esta especialidad iniciaron su

andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy

radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de

la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En

plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse

que es mucho lo que ha pagado la humanidad para

propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va

siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la

sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo

que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta

comunidad nuclear creemos que ello es posible

Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables

residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con

aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy

noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea

econoacutemico y sobre todo seguro

Los aceleradores son aparatos complejos pero su

funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy

te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y

disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo

cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy

ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo

de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy

cioacuten al tema

JO

Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy

cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir

esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy

ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof

Rafael Caro maestro de tantas promociones

nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par

que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual

hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones

que tienen los intelectuales es dar a la imprenta

sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy

var al mejor desarrollo del conocimiento humano

y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas

por parte de los autores De ahiacute que me permita

parafrasear para alabar este libro una de las senshy

tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de

la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo

Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales

Universidad Politeacutecnica de Madrid

Sumari o

A modo de presentacioacuten 7

Proacutelogo 9

Sumario 13

Capiacutetulo I 15

Capiacutetulo II 27

Capiacutetulo III 47

Capiacutetulo IV 83

Capiacutetulo V 97

Capiacutetulo VI 131

Capiacutetulo VII 151

Capiacutetulo VIII 169

Autores 193

Iacutendice de contenidos 199

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy

cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir

esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy

ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof

Rafael Caro maestro de tantas promociones

nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par

que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual

hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones

que tienen los intelectuales es dar a la imprenta

sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy

var al mejor desarrollo del conocimiento humano

y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas

por parte de los autores De ahiacute que me permita

parafrasear para alabar este libro una de las senshy

tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de

la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo

Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales

Universidad Politeacutecnica de Madrid

Sumari o

A modo de presentacioacuten 7

Proacutelogo 9

Sumario 13

Capiacutetulo I 15

Capiacutetulo II 27

Capiacutetulo III 47

Capiacutetulo IV 83

Capiacutetulo V 97

Capiacutetulo VI 131

Capiacutetulo VII 151

Capiacutetulo VIII 169

Autores 193

Iacutendice de contenidos 199

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

Editorial Madrid 1983

3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual

Report 1966

4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)

Cyclotrons linaes and their applieations S Turner

Ginebra

5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo

XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985

8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

California Berkeley WH Freeman and Company

New York 1980

9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP

Press New York 1994

10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

Sumari o

A modo de presentacioacuten 7

Proacutelogo 9

Sumario 13

Capiacutetulo I 15

Capiacutetulo II 27

Capiacutetulo III 47

Capiacutetulo IV 83

Capiacutetulo V 97

Capiacutetulo VI 131

Capiacutetulo VII 151

Capiacutetulo VIII 169

Autores 193

Iacutendice de contenidos 199

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

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Nostrand Co lne 1970

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Industry Medicine Researeh anel Training Viena

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11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

1

1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (

1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

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10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

J iexclliexclese nteacutel cioacuten

Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y

la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno

actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas

e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la

vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy

to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)

quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en

los temas de su competencia que hay que recordarlo

ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de

Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es

pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y

los industriales reciban una atencioacuten preferente en

esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a

publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a

produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten

El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones

es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos

de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es

maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes

simple desde el punto de vista operacional para aplishy

car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes

de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy

diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La

ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en

que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea

una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a

caso Su mayor desventaja reside en que no se puede

interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con

el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida

Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los

casos es su posibilidad de extraviacuteo

Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy

cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o

sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy

na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la

terapia

Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy

dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a

emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros

como boro magnesio y aluminio La sorpresa del

experimento consistioacute en que al retirar la fuente de

partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar

una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que

los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba

de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de

una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy

do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy

nes seriacutean

y la desintegracioacuten ~

subsiguiente (11)

Esta serie de experimentos fue repetida a partir de

entonces en muchos otros laboratorios y en pocos

antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes

Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la

entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy

tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una

grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que

todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy

do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy

dia de reproceso del combustible irradiado fase que

estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que

advertir sobre la existencia de reactores productores

de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy

nica sobre muestras introducidas a tal efecto

Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy

ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos

y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas

que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten

pero que como contrapartida permiten en general la

produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy

sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar

cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy

nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos

que pueden considerarse como origen de la gran

variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton

Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente

en este capiacutetulo introductorio

16

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

Editorial Madrid 1983

3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual

Report 1966

4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)

Cyclotrons linaes and their applieations S Turner

Ginebra

5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo

XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985

8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

California Berkeley WH Freeman and Company

New York 1980

9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP

Press New York 1994

10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t

Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se

utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas

E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de

deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy

dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su

relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace

idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien

en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado

(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los

protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma

carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los

electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy

lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y

mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos

para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para

usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los

tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo

comparativamente con otras partiacuteculas cargadas

menos utilizados en aceleradores

A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni

los industriales los principales responsables del especshy

tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos

50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy

nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza

Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en

este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a

velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute

como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten

cambios -transmutaciones- en la estructura de los

nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy

tucioacuten como se glosa a continuacioacuten

La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno

de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos

alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy

mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco

cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos

como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy

miento de la radiactividad natural por Henry

Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy

cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el

auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy

mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el

primero de una larga fila de investigadores que se

empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy

rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes

en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy

ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y

laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece

brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para

deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su

estructura Pero sus experimentos fueron exitosos

tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea

sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a

la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible

Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy

gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su

trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy

ca positiva del proyectil indicaba claramente que en

la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la

naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba

irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber

tanta carga negativa como la positiva contenida en los

laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza

centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le

precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el

aacutetomo una especie de estructura planetaria que con

algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea

Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el

propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy

tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral

radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy

to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc

para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas

por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos

del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos

producidos por su impacto sobre dicha pantalla

En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy

mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire

seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y

averiguaciones vino a concluir que probablemente se

trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear

JON14 + He4 -4 H + r (12)

Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en

Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien

pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a

ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera

11

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

Editorial Madrid 1983

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4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)

Cyclotrons linaes and their applieations S Turner

Ginebra

5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

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XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985

8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

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10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy

ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV

de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y

naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor

podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en

cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de

investigacioacuten

y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas

capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-

extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy

giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto

los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy

culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy

vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy

cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy

jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten

que luego seriacutea convenientemente acelerada por una

de dichas maacutequinas

Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con

estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo

Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la

Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la

Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas

ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por

A 2

p------------j~

lt 1c A

I

Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones

cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy

troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era

lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor

energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones

nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era

decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten

eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy

mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron

concibiendo y construyendo y no totalmente sin

razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes

energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado

por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)

con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy

truyeran totalmente los nuacutecleos

Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o

menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue

responsable de que el experimento de Fermi bomshy

bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el

nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en

la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten

durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia

Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba

por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy

tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten

Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico

del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de

que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto

por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy

dedor de 002 MeV

De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de

Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton

construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder

energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole

En sus experimentos los primeros de esta clase en

Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones

procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy

tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean

incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten

nuclear producida era

(13)

el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de

tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

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5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

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8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

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PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten

de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un

nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la

historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten

nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo

como en los experimentos de Rutherford que utilizaba

partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales

En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido

desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones

eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy

nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de

hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones

sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema

consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales

constaba de un condensador y un rectificador La

fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy

mador T figura en la primera etapa En el primer

semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL

pero no el e porque lo impide el rectificador Al En

el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C

carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la

carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P

hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas

En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy

ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy

co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta

j J JI lmiddot 1 (1) I I

M

moacutevil transportado ra de cargas generador con el que

ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los

15 MeV aunque es bien conocido el problema de las

fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy

cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin

de material aislante va montada entre dos poleas

separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros

una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior

la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas

decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy

mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te

a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una

punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso

E en las proximidades de la punta ioni za el medio

(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo

signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta

hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy

teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy

gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre

de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy

la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas

que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el

potencial puede llegar a haber chispas de descarga

dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio

ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy

za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy

ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy

puesto al efecto

Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928

R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical

University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy

das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo

de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de

sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente

doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de

una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse

como el principio de los denominados acele radores

lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy

guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)

Basados en su principio Lawrence E O y Sloam

mediante el empleo de campos de alta frecuencia

produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores

a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten

investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy

vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido

acelerador concib ieron el denominado acelerador de

resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy

mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en

1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV

Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy

lica circular dividida en dos partes iguales internashy

cionalmente conocidas como las Des entre las que se

establece una diferencia de potencial alterna V que

resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y

perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal

campo es nulo en el interior de las cajas por efecto

Faraday

El sistema va colocado entre las dos piezas polares de

un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las

Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al

campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy

culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que

se hace el vaciacuteo

Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada

hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad

contraria en aquel momento Una vez en su interior al

ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy

cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir

una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza

de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la

D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy

vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad

semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta

su salida por una ventana practicada al efecto -gt

La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la

partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S

es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica

-gt -gt-gt F = v B q (14)

que al compensarse con la fuerza centriacutefuga

m v2

Fc=-- (15)

define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy

cidad v-

mv r=-- (16)

Bq

Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy

pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso

de aceleracioacuten

mv Bqf=--=-- (17)

27TT 27Tm

Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad

norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el

primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy

tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy

tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en

1945 y de forma independiente VI Veksler en EM

Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley

descu brieron el principio de la estabilidad de fase

evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el

cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica

para electrones los nuevos aceleradores fueron

denominados sincrotones

El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW

Hansen en la Universidad de Standford California

utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy

mer acelerador lineal de electrones empleando ondas

transportadoras con las que actualmente y en dicha

Universidad pueden obtenerse haces de electrones de

hasta 50 GeV

iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011

e

vshy

1 ~ iacute 1

Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW

Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de

partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy

varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con

otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se

originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su

vez implicaba la necesidad de disponer de un gran

nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy

cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy

namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el

conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento

En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas

en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las

partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy

ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta

del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en

1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores

en el Fermi National Accelerator Laboratory de los

Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se

espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al

conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del

UDlverso

Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios

nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence

Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando

para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su

aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de

radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron

habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas

de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy

trones con potencias hasta de 30 MW

Es pertinente mencionar en este punto que en el

Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy

dor del tipo Cockroft-Walton como productor de

iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno

con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy

lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados

en un acelerador lineal llegando mediante campos

eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en

el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy

piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones

para su incorporacioacuten a un acelerador circular del

tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este

proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de

veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de

protones que inyectados en el anillo principal de

otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este

estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy

do Teratroacuten situado debajo del anterior donde

mediante bobinas superconductoras trabajando a la

temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy

man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy

parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy

rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de

protones con otro de antiprotones que han sido proshy

ducidos acelerando protones en el anillo principal

hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos

contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de

partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones

que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de

volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy

miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy

namiento Una vez se dispone en este anillo de la

suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo

inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy

te pero en sentido inverso con el haz de protones

hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder

estudiar los impactos frontales

3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -

Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del

orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran

aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar

la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales

bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este

entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy

tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas

esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy

rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy

cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de

cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy

dos en cocinar alimentos en horno convencional

recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy

tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de

tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir

los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy

miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de

(1

111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV

automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de

electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy

tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales

actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission

Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la

Universidad de Navarra y otro en la Universidad

Complutense

Los betatrones aceleradores de electrones suelen

usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para

la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en

las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados

como historia

En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy

ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy

soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy

no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten

R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy

go fueran de las primeras en establecer que la divishy

sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy

dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy

vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos

como de sanos

En este estado de cosas cuando y con el descubrishy

miento de la radiactividad natural y del radio en la

uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las

radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer

asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy

las anormales que invaden otros tejidos y el radio

toma papel de protagonista en el campo de la terashy

pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en

los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy

nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces

de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo

de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral

imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten

incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada

deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando

la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy

te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de

cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy

lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas

y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba

mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da

lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo

meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores

profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X

en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy

nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para

determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy

superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima

transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy

mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea

de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta

25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV

entregando en determinadas condiciones tasas de 50

cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy

neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy

trones

Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy

racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy

to de la enfermedad y aquellas personas que con

los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy

lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de

energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el

meacutedico ha estudiado para combatir determinados

tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy

te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o

por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos

que se considere adecuada en cada caso y que a su

vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy

dan producir en tejidos sanos El conjunto de

-- 1 I

dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y

cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy

tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios

fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar

a cabo hace aproximadamente una treintena de

antildeos

Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy

mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de

Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente

a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy

te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel

nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes

Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y

apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy

loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO

13 titulado laquoProvision of Radiological Protection

Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la

vigilancia fiacutesica y meacutedica

A partir de entonces hubo una actividad notable a

nivel mundial en este campo Seguramente las publishy

caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes

de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy

cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del

Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la

NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia

de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar

la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation

Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus

colaboradores de mayor renombre ha contado con la

USNRC y con la NRPB del Reino Unido

A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno

seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy

cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy

dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con

la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz

primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla

magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y

protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico

en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable

Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las

partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro

que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos

aplicaciones y partiacuteculas utilizadas

Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo

Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo

Deuterones 7-20MeV

5-20MeV

Protones 2 - lOMeV

Decenas de MeVs

De unos MeVs - 250MeVs

500 MeV - 700MeV

10 MeV - 100MeV

Electrones 6MeV-25MeV

2MeV-lOMeV

Cientos de MeVs-varios

GeV

Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores

para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que

la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy

truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy

mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute

se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y

aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo

con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy

fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin

embargo evidente que hay que seguir trabajando en

laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en

determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y

la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo

verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy

nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones

ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy

ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor

espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo

con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto

laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente

hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran

transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco

Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de

tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy

nados compuestos de boro a las zonas tumorales que

son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy

cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y

Ap licilCioacutelI

Radioterapia experimental

Produccioacuten de radioisotopos

Meacutetodos analiacuteticos

Meacutetodos analiacuteticos

Produccioacuten de neutrones para radioterapia

Radioterapia

Produccioacuten de menores en para radioterapia

Produccioacuten de radioisoacutetopo

Radioterapia con electrones y conservacioacuten

de alimentos y radioesterilacioacuten

Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para

angiografiacutea

24

nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy

giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy

truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar

tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica

parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy

varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy

damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas

para que de forma totalmente local provoquen su

destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy

ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten

r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll

t I middot 1 IL 1 I ~ L 11

de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos

para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer

doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de

traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy

lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy

lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada

A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en

Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy

cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten

del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se

instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de

tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en

un programa de investigacioacuten de materiales en

Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y

600 Kw respectivamente construidos en la propia

JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton

Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son

74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno

maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy

cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja

Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90

con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que

en la actualidad parece haberse estabilizado en la

decena Esta tendencia ciertamente va a continuar

en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas

de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar

conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el

CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que

como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy

do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy

radores

BrHLJOCI j FIA

1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison

University Wiseonsin Press 1953

2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza

Editorial Madrid 1983

3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual

Report 1966

4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)

Cyclotrons linaes and their applieations S Turner

Ginebra

5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van

Nostrand Co lne 1970

6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the

Safe Use and Regulation of Radiation Sources in

Industry Medicine Researeh anel Training Viena

1990

7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo

XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985

8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of

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New York 1980

9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP

Press New York 1994

10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic

PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag

1993

11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding

Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl

Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998

( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11

Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2

1 I nlrocl ll c c loacutel l

En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten

Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y

Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y

operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy

culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy

leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son

quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas

cargadas La principal dificultad que plantean conshy

siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo

que sea estable (libre del rizado de los potenciales

alternos o de las sobretensiones transitorias que

pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de

aislan tes)

El generador electrostaacutetico de banda cargada

deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en

1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy

ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van

de Graaff y sus colegas en el Massachusetts

Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado

y construido con eacutexito generadores para uso expeshy

rimental que estuvieron en operacioacuten durante

muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en

este tipo de acelerador en el que se centraraacute

exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy

tad en la operacioacuten de estos generadores de alto

voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su

terminal de carga debido al efecto corona (corona

discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy

ma fue mitigado colocando el generador en un

recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van

Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy

mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy

diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de

aplicaciones debido a su relativo bajo coste y

facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas

aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy

logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de

materiales datacioacuten de muestras etc

En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy

res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa

National Electrostatics Corporation (Pelletron) y

Vivirad (Vivitron)

) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl

En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy

tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en

la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy

trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante

la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el

transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un

potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten

El principio de operacioacuten del generador Van de

Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy

portadora sin fin compuesta de un material aislante

se monta entre dos cilindros alejados varios metros

entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy

porta como una polea transmisora de movimiento

A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo

(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy

nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy

dad lineal constante de hasta varias decenas de

metros por segundo El voltaje producido es V =Q C

donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del

electrodo

La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy

gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy

siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores

Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado

(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (

11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(

Terminal de alto voltaje

Polea superior

_L~-----+Hlt Banda de transporte

Electrodo colector Tanque de

presioacuten

Polea Fuente impulsora

de carga Emisor de carga

J O ( ()

en las agujas se generan iones negativos y positivos en

el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona

de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se

establece una diferencia de potencial entre esas agujas

(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas

repelen los iones positivos que se depositan en la

superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy

buyen casi uniformemente sobre la superficie de la

banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la

otra polea que queda asiacute cargada positivamente con

la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que

se describe a continuacioacuten

En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o

electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que

tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la

superficie de la banda transportaacutendolas hacia la

superficie del terminal de alto voltaje que de esta

forma adquiere un potencial creciente Las cargas son

recogidas por el electrodo colector y depositadas en la

terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de

efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico

que se establece por las propias cargas superficiales en

una zona que de otra forma estariacutea libre de campo

La maacutexima corriente que puede transportar un Van

de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas

que se pueden depositar en la banda transportadora

Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten

atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de

265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy

za el 50 oacute el 60 de este valor

El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se

puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy

radores que trabajen en aire se pueden producir desshy

cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy

piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje

(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy

cargas a lo largo de la misma banda transportadora

Debido a esta posibilidad las partes estructurales se

fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy

tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores

que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy

toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho

de que los aumentos de humedad relativa provocaban

descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas

consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en

tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy

que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo

SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta

decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En

este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es

aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso

permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy

racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten

se consigue aumentar la corriente que circula en su

interior

Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores

tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy

rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC

(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy

tituye la banda transportadora convencional (caucho

algodoacuten seda engomada) por una cadena formada

por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por

piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy

lantes y conductores) Con este sistema se produce

un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor

estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy

cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas

soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy

das convencionales no tienen una vida mayor de

varios miles de horas lo que implica interrumpir la

operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy

tiva frecuencia

Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy

so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus

caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy

tes

bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy

te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La

operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy

dad del voltaje producido es del orden del 01

bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy

dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es

posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no

peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de

varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de

coste relativamente bajo

bull Como contrapartida producen una baja densidad

de corriente (rango de fLA)

l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I

(1 ni h JIIII )

Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy

dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy

ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se

increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es

por lo tanto muy deseable siempre que sea posible

utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas

hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy

cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente

cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y

otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes

elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de

hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones

negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran

en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde

se eliminan electrones para acelerarlos finalmente

hacia el blanco conectado a tierra Los principios de

operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de

carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy

tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes

Gerthsen y Peter

bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl

La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un

acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente

como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy

duce en una fuente exterior al acelerador El terminal

estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten

El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta

gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este

gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de

electrones a los iones inicialmente positivos la carga

media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es

aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz

de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un

analizador magneacutetico que selecciona los iones con

una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces

inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy

cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute

conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a

potencial positivo (por ejemplo del orden de varios

MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy

+--- Fuente de iones positivos

f--- Haz de iones positivos

Ir--- Canal de adicioacuten de electrones

Imaacuten ana lizador

11---+-- Haz de iones negativos

1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva

Banda cargada

Il---+-- Haz de iones positivos

Imaacuten deflector de 90middot

Blanco

I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111

dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I

pondiente a este valor de potencial y al pasar por un

canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo

(despojamiento -de carga-) situado en el terminal

intermedio del acelerador pierden electrones y se

transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy

ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy

voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una

laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones

superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy

sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente

hasta una energiacutea correspondiente al potencial del

terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy

cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy

taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces

para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras

abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido

hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy

ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga

por lo que se deben eliminar del haz los estados no

requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el

blanco

Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan

tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo

bull La intensidad del haz es mucho menor para iones

negativos que para positivos y variacutea ampliamente

seguacuten el elemento acelerado

bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se

compone de varios estados de carga (no todos los

iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy

gas)

bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada

que con un acelerador de etapa simple

Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos

enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van

de Graaff de la siguiente forma

1 Los iones positivos se producen en la fuente de

iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy

damente

2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1

de los iones positivos se transforman en negativos

capturando dos electrones

3 Los iones negativos se defIectan en el analizador

magneacutetico y son introducidos en la primera etapa

del acelerador

4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy

minal intermedia a potencial positivo y ganan una

energiacutea de V electronvoltios

5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper

de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente

todos los iones emergentes del stripper habraacuten

perdido gran parte de sus electrones

6 Al estar los iones cargados positivamente de

nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy

pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje

V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy

dor de la segunda etapa a potencial cero

7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se

puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper

por ello si la carga de los iones emergentes del

stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que

alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy

maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy

tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la

terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de

hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy

rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de

hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina

1 I

Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de

Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque

de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que

ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente

los siguientes

bull Fuente de iones

bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de

vaciacuteo para las liacuteneas de haz

bull Seleccioacuten y control del haz

bull Caacutemara de blancos

bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz

bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten

t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11

l middot I 1 11 II

Fuente de iones

Primer tubo acelerador Fuente de iones

Haz de iones negativos --+---101

Terminal positivo de alto voltaje

Supresor de carga negativa

Haz de iones positivos

Segundo tubo acelerador

S istema de carga

Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol

--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1

(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)

A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de

algunos de estos componentes

Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy

las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el

dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente

tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el

haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas

de kV

Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente

de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de

alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy

ciones de mantenimiento y explica la necesidad de

fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo

taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy

nistra iones negativos

Las intensidades requeridas pueden oscilar entre

10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades

del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos

de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y

por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas

las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan

pues distintos tipos de fuentes

El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en

diversos procesos

bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un

gas o vapor

bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy

tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas

bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy

zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un

metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal

En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar

en forma de ioacuten positivo

bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con

radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud

de onda (UV o Rayos X)

bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)

bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un

campo de RF crea un plasma en una caacutemara las

especies ioacutenicas presentes se separan mediante un

campo eleacutectrico)

Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que

200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy

cesos mencionados por ello podemos decir que las

fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel

laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de

estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams

1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]

Ambas producen predominantemente iones positivos

yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente

una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy

lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H

2+ H+

Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos

se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes

de un intercambiador de carga de vapor de litio (u

otro vapor de metales alcalinos)

Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de

obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de

material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un

metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una

muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se

obtienen iones secundarios en estado de carga positishy

vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten

su masa

Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy

dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de

carga requerido ha de ser separada de otros composhy

nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede

requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy

poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta

energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente

varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente

de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de

baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy

nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo

los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy

zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy

rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy

mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de

tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico

Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto

a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro

depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea

cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un

campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)

R = (2MT) (21)

qB

Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la

expresioacuten (2)

R= 2T (22) qE

Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por

rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un

campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)

es el valor determinante Por tanto podemos decir

que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la

masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy

tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy

to a la energiacutea y el estado de carga

Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en

Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]

(1 1

Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras

la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten

El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un

campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los

campos estaacuten ajustados de forma que la componente

deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras

componentes son deflectadas de la trayectoria princishy

pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es

(23 )

Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy

plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy

zarse para seleccionar una componente especiacutefica de

M Toacuteq

Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como

estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy

te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de

aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del

blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para

elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que

el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este

principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del

terminal hasta aproximadamente 1 kV

El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector

electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz

hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras

de blancos

) i J iacute f 11( lt

La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros

del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy

gencia del haz han de ser controlados desde la fuente

de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE

RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)

requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy

que para muestras que son sensibles al calentamiento

se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy

cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy

cables a haces de iones

bull Haces de alta energiacutea

Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta

energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)

- Imanes analizadores y direccionadores del haz

con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y

90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones

tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico

- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos

- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy

ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten

se puede utilizar para impedir que el haz incida en

la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el

detector

AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S

Visor del haz

Imaacuten analizador

Deflector en -doble codoraquo

Visor del ha

Vaacutelvula de accioacuten raacutepida

z

_

Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz

Acelerador Trampa fria de impurezas

laquoen linearaquo

- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy

te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy

las neutras que pueden constituir un tanto por

ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)

- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo

del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy

dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden

ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy

sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar

e calentamiento de elementos sensibles tales como

algunas juntas

- Visores de cuarzo que se pueden insertar para

interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual

de su forma y tamantildeo

- Monitores remotos para conocer el perfil del

haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)

Interruptores de haz para cortarlo en puntos

apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy

blemente controlados a distancia Se utilizan

para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo

o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy

trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy

ma de este valor los iones ligeros producen neushy

trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales

(NCRP 51)[9]

Alineacion oacuteptica t

Imaacuten de seleccionador de haz -

Caacutemara de reaccioacuten o de blancos

Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest

bull Haces de baja energiacutea

El transporte de haces de alta y baja energiacutea se

basa en los mismos principios pero los de baja

energiacutea estaacuten afectados por factores tales

como

- El pequentildeo tamantildeo de equipo

- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)

- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro

laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas

- La mayor probabilidad de cantidades significatishy

vas de componentes neutros en e haz

- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo

(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy

nes superficiales

323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11

Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de

reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de

dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio

y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas

secundarias

I I1 (J I Oacutet

Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras

Teacutecnicas de RBS

Haz de iones

incidente

Teacutecnicas de NRA

Teacutecnicas de PIGE gamma

Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples

cuando se dedican a un tipo de medidas y constan

de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema

de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy

cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para

varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una

manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio

automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy

tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy

binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para

traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy

cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea

de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy

miento angular de la muestra requiere una precishy

sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos

rotaciones angulares

Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios

Escudo criostaacutetico

Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina

absrobente selectiva

1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld

Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy

mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones

elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y

detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy

dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy

pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos

por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy

bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten

atmosfeacuterica

La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una

caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus

caracteriacutesticas operacionales son

- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)

- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula

de vaciacuteo

iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S

- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para

determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de

rendimientos absolutos)

- Colimadores y supresores de electrones secundashy

nos

- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del

haz sobre el blanco

- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco

- Detectores de iones localizados dentro de la

caacutemara y ajustables externamente

- Detectores de fotones y neutrones montados

dentro o fuera de la caacutemara

11 I (( middots (Y CiW

Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es

el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea

tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)

como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy

na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire

es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy

ciales en las siguientes situaciones

- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o

descomponerse en el vaciacuteo

- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy

tores de Rayos X o gamma que puede requerirse

en situaciones de bajo rendimiento

- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de

blancos

- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial

La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy

delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu

Fe Al Ni o plaacutestico

Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis

de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en

la seccioacuten 4 de este capiacutetulo

LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo

j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl

Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy

sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy

gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial

para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy

da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA

(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy

sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)

corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis

(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]

Q=It N=6x1Q18Q (24)

La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el

meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz

aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los

mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy

tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy

viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy

da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy

lizan normalmente con un dispositivo denominado

laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy

piente metaacutelico donde incide el haz de iones

La corriente se que se produce se mide con un microshy

amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por

electrones secundarios que constituiriacutean una fuente

importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy

ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se

tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]

Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy

conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para

rayos gamma y de barrera de superficie para iones

Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se

utilizan detectores de BF centelleadores etc

L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()

Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia

en los blancos existen ciertos requerimientos de

vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy

zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy

naciones superficiales en la muestra (presiones en la

caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de

J(i

alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de

1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la

caacutemara de blancos es diferente de la existente en las

liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de

blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en

el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy

das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una

bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza

para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten

los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara

de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas

enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados

se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen

inactivos hasta que la superficie se calienta lo que

debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas

en el sistema

Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs

Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy

radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy

tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir

sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los

iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy

zan diversos tipos de interacciones para obtener

informacioacuten sobre la muestra De manera resumida

podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy

tes

bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)

- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford

Backscattering Spectrometry y ERA Elastic

Recoil Analysis)

- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy

tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission

y PIGE Particle Induced Gamma Ray

Emission)

- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA

Nuclear Reaction Analysis)

- Microsondas

bull Modificacioacuten de materiales

- Implantacioacuten ioacutenica

- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones

- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)

bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones

neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas

bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores

Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy

lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo

de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy

macioacuten posible De forma general podemos ofrecer

los siguientes ejemplos

1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas

semi y super conductores materiales ceraacutemicos y

aleaciones metaacutelicas

2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas

aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica

3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de

metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten

4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy

loacutegicos

5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas

astrofiacutesica

4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas

A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy

ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy

radas anteriormente

11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)

Fue la base del descubrimiento de Rutherford del

nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy

liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la

espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa

en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy

da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy

co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy

necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy

raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total

Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy

cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy

3

persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y

la energiacutea de la incidente laquoEnraquo

M - m)2 (25)Ed= En (M+m

donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del

proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es

muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son

similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy

sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha

de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En

la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten

la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa

El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y

distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones

ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy

as del orden del MeV que son retrodispersados por

aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de

blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy

nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy

centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en

funcioacuten de la profundidad bajo la superficie

La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy

centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados

que los constituyentes principales del sustrato Con

ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados

en matrices que contengan elementos ugeros o medios

La RBS es muy complicada para materiales que conshy

tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no

es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas

La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy

sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da

lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy

persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten

cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten

se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy

tura cristalina de la materia

-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )

Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del

blanco que puede ser detectado si reciben suficiente

energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene

~ 10 O ro e Q)

O

lt3 ~ lO Q)

sect ro e ro

~ lO a Vl

~ e Q)

U lO --- - Datos experimentales

-- Curva de ajuste

10deg

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)

FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto

lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan

haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de

la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la

superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy

ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy

cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros

41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl

El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy

tielemental no destructivo de elementos traza en

muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos

pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra

Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango

de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de

Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del

sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1

a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy

tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La

energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del

aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy

porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy

zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con

liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas

circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso

38

105

multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o

Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest

de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de

energiacutea en forma de fotones o electrones Auger

La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que

se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una

muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra

un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de

oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los

fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy

cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea

asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy

ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos

En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los

elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy

minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico

mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a

20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy

cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten

de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy

tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy

tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo

K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en

la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy

nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE

(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )

Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy

sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy

nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy

ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas

de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy

nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos

especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos

factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles

reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes

en la muestra En general estas reacciones implican la

incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)

del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy

tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo

diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica

nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten

A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy

u ~

ro e ~~~

1

8 O

103

e I E

e l~~ lO

U

~~ A~lO

5 10 15 20 25 30

Energiacutea (KeV) (Abcisas)

rigllla 1 rspectro de P I X E

ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a

originar tras la interaccioacuten pues esto determina los

meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se

puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de

diversos productos como fotones gamma partiacuteculas

alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy

riacutesticas maacutes importantes del NRA son

bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos

ligeros especiacuteficos

bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son

difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas

bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy

fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos

bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos

nuacuteclidos

Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy

sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente

como

4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)

Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE

(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)

resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil

para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad

Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por

reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy

do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula

pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy

dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares

(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)

Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable

habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El

espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles

energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su

intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten

del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy

an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)

MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en

la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que

esta uacuteltima es praacutecticamente insensible

El hecho de que las emisiones gamma provengan del

nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene

puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de

varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada

uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy

do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy

tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que

la energiacutea de los fotones gamma excede los

100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello

la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa

y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica

muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos

Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy

logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy

tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy

poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy

te composicioacuten de ambas muestras

Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy

das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy

nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las

energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y

2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten

(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen

sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores

con tiempos de medida del orden de 10 minutos La

profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm

Vi ro u ro c Q)

23Na 440 KeV

al

E 3 uuml i

lO IOB

429 511

10B 27 Al 718 844

27 AL 1014

N

Q)

103 IIB 2125

U ltn Q)

e Q) iexcl

~ 2 c Q) gt

11 I ( I I I

Uuml 500 1000 1500 2000 2500

Nuacutemero de canal (abe isasl

I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11

di Ir n 0111 11(11 0111 1I

I 1 (

El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es

radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha

concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten

gamma asociada se puede medir en la muestra de

manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy

cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA

como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten

en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar

utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten

1 I 1 11 1 (111 -t

Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de

iones incidentes finamente focalizados Con esta

caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o

menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la

muestra para obtener informacioacuten bidimensional

sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten

bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que

se desplaza a traveacutes de la superficie junto con

medidas sincronizadas para obtener una distribushy

cioacuten espacial de la especie analizada

bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz

de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza

junto con un sistema oacuteptico de imagen para los

I 1 1 q

iones expulsados de la superficie analizada se

obtiene una distribucioacuten espacial de la especie

analizada

bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un

micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones

ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un

punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy

cie se registran medidas sincronizadas para obteshy

ner distribuciones espaciales multielementales Si

se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se

obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy

fundidad

Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en

Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy

tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy

cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc

Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la

estructura y composicioacuten de las capas superficiales de

una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy

piedades de los materiales Existen cuatro tipos de

procesos involucrados

bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva

especie atoacutemica

bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos

de la muestra

I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io

b)

Na

440 keV Al Al SI+(P) Na Si

1779 keV

o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal

bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten

de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas

bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos

superficiales a una tasa que depende del tipo de

ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia

y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten

tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente

en la superficie de la muestra incluyendo la preshy

sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva

Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la

implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy

res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy

cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para

modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza

y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y

eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores

iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~

( 1

Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy

zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y

electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy

centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios

isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de

cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy

ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel

tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud

En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en

la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida

de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios

de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)

ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea

(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de

materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy

bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a

La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene

ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de

fondo en las medidas El acelerador se utiliza como

parte de un proceso de filtrado del haz al final del

cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere

Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz

como sigue (Suter 1997)[11]

iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S

a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo

la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy

dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy

40 keV) para producir un haz de iones negativos

con los aacutetomos de la muestra Esto significa la

supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy

ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros

estables que son incapaces de formar iones negatishy

vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)

b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy

cionadas en un primer espectroacutemetro de masas

Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy

nal de alto voltaje del Van de Graaff

c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy

per de carga donde los iones negativos son desshy

provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de

ellos alcanzan un estado de carga positivo En este

proceso de cambio de carga las moleacuteculas que

existan en el haz pueden ser destruidas pues el

stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que

son inestables en estado de ionizacioacuten positivo

d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados

hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy

metro de masas de alta energiacutea que generalmente

consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy

tico

e Quinto filtro Los iones son identificados en un

sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy

conductor

En resumen tras los procesos mencionados se consishy

gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de

la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy

ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy

te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy

vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los

iones deben ser acelerados hasta varios MeV por

nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy

culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy

cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy

mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que

seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy

dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la

carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y

poder de frenado en la materia De esta forma se

determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo

que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy

res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989

p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos

detectores uno delgado (menor que el alcance de las

partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por

ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y

cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en

coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy

nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para

partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga

ze la foacutermula de Bethe predice que

dE ex mz2

In (k~) (26)dx E m

donde k es una constante El producto E(dEdx) es

soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy

cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2

que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente

se puede obtener de la suma de las medidas en los dos

detectores con lo que se puede obtener a la vez el

valor de su masa Esta informacioacuten junto con el

cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten

de las partiacuteculas

La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy

dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones

en el mundo Muestras tan renombradas como la

Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol

han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy

cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las

desintegraciones producidas en la muestra durante el

proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea

fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica

de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas

puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy

mente Sin embargo aparecen nuevos problemas

bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy

sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo

bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy

cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es

lo suficientemente grande como para ser separadas

con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten