An An áá lisis por reacciones nucleares (NRA) Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México Escuela de Verano en Física 2001 Contenido • Tipos de análisis • Principios físicos • Instrumentación básica • Aplicaciones Tipos de an Tipos de an áá lisis • Reacción que produce núcleos cuya radiactividad se mide posteriormente: Análisis por activación • Reacción cuya radiactividad se mide de manera inmediata Tipos de reacciones nucleares • Una partícula cargada se dispersa elásticamente debido al núcleo cargado, como en RBS o dispersión nuclear elástica • Las partículas excitan el núcleo, llevándolo a un estado de mayor energía, de manera que el núcleo se desexcita por medio de la emisión de un fotón g • Se produce un núcleo distinto durante la interacción Cantidades conservadas en reacciones nucleares • Conservación de los nucleones (A) • Conservación de la carga (Z) • Conservación de la masa­energía (E) • Conservación del momento (P) Principios f Principios f íí sicos sicos a + b Reactantes c + d Productos Za + Z b = Z c + Z d A a + A b = A c + A d Diferencia en masa en una reacci reacci óó n nuclear X + a ® Y + b ± Q 2 2 Q = ( M X + M a ) c - ( M Y + M b ) c Q Q < 0 : Reacción endoérgica < 0 : Reacción endoérgica Q Q > 0 : Reacción exoérgica > 0 : Reacción exoérgica Reacci Reacci óó n nuclear n nuclear A Z X A +1 Z +1 A -3 Z -1 X X g g Protón g a g g g b A -3 Z X Variantes en NRA • Se estudia la energía del producto de la reacción – Útil cuando la sección eficaz de la reacción es una función suave de la energía del ion • Se mide la intensidad de las emisiones – Hay “picos” en la sección eficaz de la reacción como función de la energía del ion (resonancia ) Dispositivo experimental para NRA para NRA Secci Secci óó n eficaz para una reacci n eficaz para una reacci óó n nuclear 100 12 13 C(d, p) C q = 165° 80 s (b) 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 Energía del Ion (MeV) 2500 3000 Espectro de NRA para una pel pel íí cula de Co 3 O 4 8 0 0 1 2 1 3 C ( d ,p 0 ) C 1 6 1 7 O ( d ,p 1 ) O 1 6 1 4 O ( d , a 0 ) N 4 0 0 1 6 1 7 O ( d ,p 0 ) O 0 1 6 0 0 2 4 0 0 3 2 0 0 Secci Secci óó n eficaz para resonancia n eficaz para resonancia Gb s (a , b ) = s c ( a ) G · s c (a) es la sección eficaz para la formación del núcleo compuesto · G b/G es la probabilidiad relativa de la emisión b Secci Secci óó n eficaz para resonancia n eficaz para resonancia Ga Gb l 2 s (a , b ) = 4 p (E - E )2 + G R ( 2 ) 2 • l es la longitud de onda de De Broglie del ion incidente • E es su energía de incidencia • E R es la energía a la cual ocurre la resonancia. Curvas de excitaci Curvas de excitaci óó nn Haz de iones Detector qi x 0 ¥ Ng ( E 0 ) = ò ò C ( x ) s ( E ) W ( E 0 ; E , x ) dEdx E 0 0 Curvas de excitaci Curvas de excitaci óó nn 0 ¥ Ng ( E 0 ) = ò ò C ( x ) s ( E ) W ( E 0 ; E , x ) dEdx E 0 0 • C: Concentración del isótopo • s : Sección eficaz a la energía E • W: Probabilidad de que el ion lleve la energía E a la profundidad x, dada la energía de incidencia E 0 Dispositivo experimental Muestra Detector Acelerador Imán Analizador Contador Maestro A Contador Esclavo Analizador Monocanal Analizador monocanal Ancho de ventana DE Línea de base E Dispositivo semiautom Dispositivo semiautom áá tico Muestra Imán analizador Detector Acelerador Computadora 2 Sonda Hall Contador esclavo Compuerta Computadora 1 Contador Maestro Analizador monocanal A Detector de centelleo Luz Radiación Centellador Fotomultiplicador Electrónica Adquisici Adquisici óó n de curvas de excitaci excitaci óó nn Curva de excitaci excitaci óó n 19 F(p, F(p, ag) 16 O 668 keV 340 keV 598 keV 484 keV 19 16 19 F(p, F(p,ag) ag) 16 OO Curva de excitaci excitaci óó n para una pel una pel íí cula con 19 F Curva de excitaci excitaci óó n para una pel pel íí cula de CaF 22 19 16 19 F(p, F(p,ag) ag) 16 OO Curva de excitaci excitaci óó n para un sistema multicapas con 19 F Resonancias (p, (p, g) de uso com com úú n para energ energ íí as menores que 1 MeV R eacci ó n E p ( k eV ) 7 L i ( p , g ) 8 B e 4 4 1 .4 9 B e( p , g ) 1 0 B 3 1 9 1 1 B ( p , g ) 1 2 C 1 6 3 1 2 C ( p , g ) 1 3 N 4 5 7 1 3 C ( p , g ) 1 4 N 5 5 1 14 N ( p , g ) 1 5 O 2 7 8 1 5 N ( p , a g ) 1 2 C 4 2 9 1 8 O ( p , g ) 19 F 6 3 0 2 2 4 .0 3 4 0 .5 4 8 3 .6 5 9 4 6 6 8 8 3 2 8 7 2 .1 9 0 2 9 3 5 1 9 F ( p , a g ) 16 O 2 3 N a( p , g ) 24 M g 27 A l ( p , g ) 28 Si 3 0 9 6 3 2 9 9 2 3 0 Si ( p , g ) 31 P 620 Calibraci Calibraci óó n de la energ n de la energ íí a en un acelerador electrost acelerador electrost áá tico tico B q q, m R q 2 B 2 R 2 E c = 2 m E c Calibraci Calibraci óó n de la energ n de la energ íí a en un acelerador electrost acelerador electrost áá tico tico e( B 2 ) = (8 . 02 ´ 10 -4 ± 7 . 4 ´ 10 -6 )B 2 - ( 13 ± 5 ) Ventajas de NRA • Permite analizar elementos ligeros • Mejora la sensibilidad para algunos de estos elementos • Puede dar información en profundidad • Es muy útil para calibrar la energía en los aceleradores Desventajas de NRA • Se requieren iones específicos • Sólo funciona con isótopos seleccionados • Las secciones eficaces son menores que en otros métodos • La información en profundidad se empobrece por las fluctuaciones de energía