An Aná álisis por reacciones nucleares (NRA)

Análisis por reacciones nucleares(NRA)Javier MirandaInstituto de FísicaUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoEscuela de Verano en Física 2001

Contenido• Tipos de análisis• Principios físicos• Instrumentación básica• Aplicaciones

Tipos de análisis• Reacción que produce núcleos cuyaradiactividad se mide posteriormente:Análisis por activación• Reacción cuya radiactividad se mide demanera inmediata

Tipos de reacciones nucleares• Una partícula cargada se dispersa elásticamentedebido al núcleo cargado, como en RBS odispersión nuclear elástica• Las partículas excitan el núcleo, llevándolo a unestado de mayor energía, de manera que el núcleose desexcita por medio de la emisión de un fotón g• Se produce un núcleo distinto durante lainteracción

Cantidades conservadas enreacciones nucleares• Conservación de los nucleones (A)• Conservación de la carga (Z)• Conservación de la masa­energía (E)• Conservación del momento (P)

Principios físicos fa + bReactantesc + dProductosZa+Zb=Zc+ZdAa+Ab=Ac+Ad

Diferencia en masa en unareacción n nuclearX+a®Y+b±QQ=2( M + M ) c - ( M + M ) cX aY b2Q < 0 : Reacción endoérgicaQ > 0 : Reacción exoérgica

Reacción n nuclearAXZA + 1ZX X+ 1Z 1A - 3 A - 3X- ZggProtónga g ggb

Variantes en NRA• Se estudia la energía del producto de lareacción– Útil cuando la sección eficaz de la reacción esuna función suave de la energía del ion• Se mide la intensidad de las emisiones– Hay “picos” en la sección eficaz de la reaccióncomo función de la energía del ion (resonancia)

Dispositivoexperimentalpara NRA

Sección n eficaz para una reacciónnuclear1008012C(d, p) 13 Cq = 165°60s (b)40200500 1000 1500 2000 2500 3000Energía del Ion (MeV)

Espectro de NRA para unapelículade Co 3 O 48 0 01 2C ( d ,p 0) 1 3 C1 6O ( d ,p 1) 1 7 O1 6O ( d ,a 0) 1 4 N4 0 01 6O ( d ,p 0) 1 7 O01 6 0 0 2 4 0 0 3 2 0 0

Sección n eficaz para resonancias ( a , b ) s ( )G= abcG· s c (a) es la sección eficaz para la formacióndel núcleo compuesto· G b /G es la probabilidiad relativa de laemisión b

Sección n eficaz para resonancias ( a , b )=l24 pG G( ) ( )2GE - E +2Rab2• l es la longitud de onda de De Brogliedel ion incidente• E es su energía de incidencia• E R es la energía a la cual ocurre laresonancia.

Curvas de excitaciónHaz de ionesDetectorq ixN ( E )g0=0¥ò òE00C ( x ) s ( E ) W ( E ; E , x ) dEdx0

Curvas de excitaciónN ( E )g0=0¥ò òE00C ( x ) s ( E ) W ( E ; E , x ) dEdx0• C: Concentración del isótopo• s : Sección eficaz a la energía E• W: Probabilidad de que el ion lleve laenergía E a la profundidad x, dada laenergía de incidencia E 0

Dispositivo experimentalMuestraDetectorAceleradorImánAnalizadorContadorMaestroAContadorEsclavoAnalizadorMonocanal

Analizador monocanalAncho de ventanaLínea de baseDEE

Dispositivo semiautomáticoticoImán analizadorMuestraDetectorAceleradorSonda HallComputadora 2ContadoresclavoAnalizadormonocanalCompuertaAComputadora 1ContadorMaestro

Detector de centelleoRadiaciónLuzCentellador Fotomultiplicador Electrónica

Adquisición de curvas deexcitación

Curva de excitación 19 F(p, ag) 1616O340 keV598 keV668 keV484 keV

19 19 F(p, ag) 16 16 OCurva deexcitación n parauna películacon 19 F

Curva de excitación n para unapelículade CaF 2

19 19 F(p, ag) 16 16 OCurva deexcitación n paraun sistemamulticapas con19 F

R eacción E p (k eV )7 L i (p, g ) 8 B e 441.49 B e(p, g ) 10 B 31911 B (p, g ) 12 C 163Resonancias(p, g) ) de usocomún n paraenergíasmenores que1 MeV12 C (p, g ) 13 N 45713 C (p, g ) 14 N 55114 N (p, g ) 15 O 27815 N (p, a g ) 12 C 42918 O (p, g ) 19 F 63019 F(p, a g ) 16 O224.0340.5483.6594668832872.190293523 N a(p, g ) 24 M g 30927 A l(p, g ) 28 Si63299230 Si(p, g ) 31 P 620

Calibración n de la energía a en unacelerador electrostáticoticoBq, mqRE c2 2 2q B RE c=2 m

Calibración n de la energía a en unacelerador electrostáticotico2e(B ) =- 4- 6 2( 8 . 02 ´ 10 ± 7 . 4 ´ 10 ) B -(13 ± 5 )

Ventajas de NRA• Permite analizar elementos ligeros• Mejora la sensibilidad para algunos deestos elementos• Puede dar información en profundidad• Es muy útil para calibrar la energía enlos aceleradores

Desventajas de NRA• Se requieren iones específicos• Sólo funciona con isótopos seleccionados• Las secciones eficaces son menores que enotros métodos• La información en profundidad seempobrece por las fluctuaciones de energía