Investigaci Investigació ón y futuro de las t n y futuro de las té écnicas cnicas de an de aná álisis basadas en aceleradores lisis basadas en aceleradores 

de part de partí ículas culas 

Javier Miranda Instituto de Física 

Universidad Nacional Autónoma de México Escuela de Verano en Física 2001

Investigaci Investigació ón n 

•  Física y ciencia de materiales –  Física atómica –  Poderes de frenado en monocristales 

–  Secciones eficaces para reacciones nucleares 

–  Modificación de superficies y películas delgadas 

•  Investigación interdisciplinaria –  Arqueometría –  Biología –  Medicina –  Geología –  Ciencias del ambiente –  Química de alimentos

F Fí ísica at sica ató ómica mica 

•  Secciones eficaces de producción de rayos X – Protones de bajas energías (< 1 MeV) – Iones pesados – Parámetros atómicos 

•  Anisotropía de las emisiones de rayos X •  Sistema de alta resolución para detección de rayos X

Secciones eficaces por impacto Secciones eficaces por impacto de protones de bajas energ de protones de bajas energí ías as 

ECPSSR Tasas de emisión: Scofield (1974) Producción de fluorescencia: Krause (1979)

( ) 

Theo X 

Exp X 

R L 

R L 

R L 

R L 

S , 

, 

3 2 1 2 

4 1

σ σ

ξ ξ ξ ξ

=

+ + = 

0.0  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

3.0 

L α line 

H+ 

S

ξ L R

L Lí ínea L nea L α α , ECPSSR, dependencia con Z , ECPSSR, dependencia con Z 

0 .1  0 .2  0 .3  0 .4  0 .5  0 .6  0 .7  0 .8  0 .9  1 .0 0 .0 

0 .5 

1 .0 

1 .5 

2 .0 

2 .5 

3 .0 

40 ­49 50 ­59 60 ­69 70 ­79 80 ­92 

S

ξ L R

Factores Factores Coster Coster­ ­Kronig Kronig 

•  Uso de luz sincrotrón para medir las probabilidades f ij y producciones de fluorescencia ω i 

•  Influencia de la ionización múltiple por el impacto de los iones

Factores Factores Coster Coster­ ­Kronig Kronig 

10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  110 0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

Krause Puri et al. Experimental 

f  13 

Z

L Lí ínea L nea L α α , Teor , Teorí ía ECPSSR a ECPSSR 

0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0 0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

1.1 

1.2 

1.3 

1.4 

1.5 <σ

  Exp /σ

  Theo >

ξ L R 

CW­K CW­P SC­K SC­P SA­K SA­P

Secciones eficaces de producci Secciones eficaces de producció ón de n de rayos X por impacto de iones pesados rayos X por impacto de iones pesados •  Emisión de líneas L •  Obtención de datos experimentales con iones Li, B, C, N, O y F 

•  Desarrollo de la teoría MECPSSR para capas L 

•  ¿Influencia de ionización múltiple en producciones de fluorescencia y transiciones Coster­Kronig?

Efectos por impacto de iones Efectos por impacto de iones pesados pesados 

•  Cambio en energías de los rayos X •  Formación de orbitales moleculares •  Ionización múltiple •  Captura electrónica

Cambio en energ Cambio en energí ías de los rayos X as de los rayos X 

K α  K β K 

L 

M 

K 

L 

M 

K β  K α

Formaci Formació ón de orbitales n de orbitales moleculares moleculares

K 

L 

M 

Ionizaci Ionizació ón m n mú últiple ltiple

Captura electr Captura electró ónica nica

Secciones eficaces de producci Secciones eficaces de producció ón de n de rayos X por impacto de iones pesados rayos X por impacto de iones pesados 

0.25  0.50  0.75  1.00  1.25  1.50 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

Anteriores Experimental 

S  ME

CPS

SR

ξ K R

Anisotrop Anisotropí ía a en emisi en emisió ón de rayos X L n de rayos X L

Espectroscop Espectroscopí ía a por dispersi por dispersió ón en n en longitud de onda longitud de onda 

Blanco 

Cristal difractor Contador proporcional 

Rayos X primarios 

Rayos X difractados 

Iones incidentes

Frenamiento Frenamiento en en monocristales monocristales 

Iones incidentes 

Monocristal

Modificaci Modificació ón n de de pel pelí ículas culas y y monocristales monocristales de de Ag Ag y Cu y Cu 

5 µm 

• Cambios en la topografía • Mezcla atómica • Cambios en la estructura cristalina

Investigación en otras ciencias 

•  Arqueometría •  Biología •  Medicina •  Geología •  Ciencias del ambiente •  Química de alimentos

Sistema de haz externo Sistema de haz externo

Arqueometr Arqueometrí ía a •  Metales (Au y Cu) •  Huesos y dientes •  Pinturas, pigmentos y estucos 

•  Cerámicas •  Obsidianas •  Documentos

Arqueometría 

1.E­04 

1.E­03 

1.E­02 

1.E­01 

1.E+00 

S  K  Fe  Zn  Pb 

Número de Fotones  Relativos a Calcio 

M1 Exp M1 Limpia M4 Exp M4 Limpia M5 Exp M5 Limpia M5 Rep M6

Anillos Anillos de de á árboles rboles Pinus montezumae Pinus montezumae

Biolog Biologí ía: Anillos de a: Anillos de á árboles rboles 

2 4 

6 8 10 

12 14 16 

18 20 22 24 26 28 30 

0 

600 

1200 

1800 

2400 

3000 

3600 

Cl 

K 

Ca 

Ti 

Fe 

S 

CONCEN

TRAT

ION (µg/g) 

YEAR 

2 4 6 8 10 12 14 

16 18 20 22 24 26 28 30  0 

10 

20 

30 

40 

50 

Cu 

Zn 

Ni 

Co 

Mn 

Cr 

CONCEN

TRAT

ION (µg/g) 

YEAR

Medicina: Pulm Medicina: Pulmó ón canceroso n canceroso 

0 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

Cu  Zn 

Con

centración

 (µg/g) 

Alvarez Figueroa Bartsch Suichi

Geolog Geologí ía a 

An Aná álisis lisis de de Diatomita Diatomita Paleolago Paleolago Tlaxacala Tlaxacala

Diatomitas Diatomitas del del Paleolago Paleolago Tlaxcala Tlaxcala

Qu Quí ímica de alimentos mica de alimentos 

0 

50 

100 

150 

200 

250 

Cr  Mn  Fe  Cu  Zn  As  Br  Rb  Sr 

Concentration (mg/kg)  Milpa Alta L 

Copena L Robusta L Atlixco L Nopalea L 

Dry basis Dry basis

Contenido Contenido de de Mn Mn en en verduras verduras (mg/kg, base (mg/kg, base seca seca)* )* 

Elote  3.6  Frijol  21 Col  14  Lechuga  29 Zanahoria  8.5  Cebolla  16 Papa  3.6  Jitomate  12 Manzana  1.3  Naranja  1.5 *A. Kabata­Pendias, Trace Elements in Soils and Plants, 3 a Ed. (CRC Press, 2001) 

Nopal  60­230 

Elote  3.6  Frijol  21 Col  14  Lechuga  29 Zanahoria  8.5  Cebolla  16 Papa  3.6  Jitomate  12 Manzana  1.3  Naranja  1.5 *A. Kabata­Pendias, Trace Elements in Soils and Plants, 3 a Ed. (CRC Press, 2001) 

Nopal  60­230

Ciencias ambientales Ciencias ambientales 

Boquilla de Entrada 

Filtro Fracción Gruesa 

Filtro Fracción Fina 

Rotámetro  Reloj 

Bomba de Vacío

Contaminaci Contaminació ón ambiental n ambiental 

28% 

30% 

22% 

20% 

Suelo  Tráfico  Cl­Zn  Industria 

52% 

29% 

4%  15% 

Suelo  Combustóleo  Industria  Tráfico 

Fracción Fina 

Fracción Gruesa

Futuro de las t Futuro de las té écnicas de origen cnicas de origen nuclear en el IFUNAM nuclear en el IFUNAM 

• Nuevo laboratorio en provincia ☺ • Microsonda de iones •  Espectrometría de masas con aceleradores

Microsonda Microsonda de de iones iones 

a  b  c  d 

e 

f g 

h 

i 

j 

a) Apertura objeto b) Apertura c) Sistema de Lentes Magnéticas d) Imanes Desviadores e) Muestra f) Desplazador x­y g) Microscopio óptico h) Detector de iones i) Detector de electrones para imágenes j) Detector de rayos X 

a) Apertura objeto b) Apertura c) Sistema de Lentes Magnéticas d) Imanes Desviadores e) Muestra f) Desplazador x­y g) Microscopio óptico h) Detector de iones i) Detector de electrones para imágenes j) Detector de rayos X

Microsonda de iones

•  U. Lindh et al., Nucl. Instr. and Meth. B130(1997) 406 

•  Enfermedad metabólica 

•  Exceso de Mn parece relacionarse con la enfermedad. 

•  U. Lindh et al., Nucl. Instr. and Meth. B130(1997) 406 

•  Enfermedad metabólica 

•  Exceso de Mn parece relacionarse con la enfermedad. 

Granulocito Granulocito durante ataque durante ataque porfir porfirí ítico tico

Espectrometr Espectrometrí ía a de de masas masas con con acelerador acelerador (AMS) (AMS)

Conclusiones Conclusiones •  Las técnicas de análisis basadas en aceleradores de partículas aún ofrecen temas de investigación en Física básica 

•  Se requiere desarrollo de instrumentación para ampliar sus temas 

•  Son aplicables en otras ciencias •  Con una inversión se pueden extender los campos de aplicación y crear nuevos centros de investigación