Capítulo 1.

Dado que en el Instituto de Física están en operación otros 4 aceleradores y cada uno de estos

tienen diferentes aplicaciones, se pretende también que una de las principales utilidades de este

texto sea que su contenido proporcione una fuente rápida de información a nuevos estudiantes

que participan en nuevos proyectos de investigación en los aceleradores del departamento de

física nuclear y de radiaciones.

1. Antecedentes históricos de los aceleradores Uno de los descubrimientos científicos más importantes para la humanidad fue el ocurrido en el

año de 1896 cuando el físico francés Henri Becquerel descubrió el fenómeno conocido como

radiactividad, que consiste en la propiedad que poseen algunos átomos (tales como radio, polonio

y torio) de emitir energía espontáneamente. En estudios posteriores se determinó la naturaleza de

esta energía, consistente en la emisión de partículas y fotones, y se usaron las primeras letras del

alfabeto griego para designarlas como radiación: alfa, beta y gama. En la Figura 1 ilustra

esquemáticamente el experimento con el que se determinaron propiedades de esa radiación.

Fig. 1. Figura esquemática del experimento que se determinaron la naturaleza de la radiación alfa,

beta y gama. (Rehacer la figura con títulos en español)

La radiación alfa consiste de partículas mono energéticas, con carga eléctrica positiva y se

identificaron como núcleos de helio. La energía “E” de estas partículas se refiere a energía

cinética. La relación entre “E”, la masa “m” y la velocidad “v” es:

E= (1/2)*m*v2 (1)

La determinación de la energía E de las partículas alfa, se determinó igual a 5.48 MeV. Usando la

eq (1) se calcula la alta velocidad de estas y es igual a “v” =……..m/s

…...(calcularla)

La radiación beta son electrones tanto con carga positiva y negativa. Los electrones con

carga positiva se les llaman positrones. A diferencia de las alfa las partículas beta no son mono

energéticas y son emitidas con distribución de energías con valor cero hasta un valor máximo.

La radiación gamma no tiene carga eléctrica y son ondas electromagnéticas, al igual que

los rayos X, la luz visible, la violeta, etc. Como es sabido cuando esta radiación interacciona con

la materia presenta la característica de partículas y se les denomina fotones.

Ernst Rutherford y sus colaboradores Marsden y Geiger en el año de 1911 utilizaron una

fuente radiactiva de partículas alfa como proyectiles para bombardear una delgada película de

oro. El objetivo de este experimento fue la de comprobar la teoría sobre la estructura de la

materia propuesta por Thompson, también conocida como el modelo atómico del pastel.

En la figura.1, se muestra esquemáticamente el arreglo experimental usado en estos

experimentos.

Figura 2. Diagrama esquemático que ilustra el experimento realizado por E. Rutherford.

Es importante recalcar que el principio del procedimiento utilizado por Rutherford y

colaboradores en este experimento es el mismo que se utiliza rutinariamente en muchos de los

laboratorios equipados con modernos y complejos aceleradores de partículas

En este experimento se utilizó una pequeña fuente radiactiva de radio de 7 mg, la cual emitía

partículas alfa a una razón de 6 millones de partículas por segundo. El experimento consistió en

contar el número de partículas desviadas en función del ángulo . Si la teoría de Thompson era

correcta, se esperaba observar que la mayoría de las partículas alfas solo fueran desviadas

ligeramente con respecto a la dirección de incidencia, debido a que la masa de los proyectiles era

4 veces mayor que el de las partículas constituyentes de los átomos, ya que en esa época se

consideraba que los átomos estaban constituidos solo por protones y electrones. El resultado

sorprendente que se encontró fue que una partícula alfa de cada diez mil era rebotada a ángulos

grandes. La única forma de explicar los resultados de los experimentos de Rutherford fue la de

suponer que la mayor parte de la masa de los átomos de oro, estaba concentrada en un pequeño

volumen, al cual se le llamó el núcleo atómico y fue así lo que dio origen al modelo nuclear de

los átomos.

2. Modelo nuclear de los átomos Un diagrama esquemático del modelo nuclear de los átomos se ilustra en la figura 3.

Figura 3. Diagrama esquemático del modelo nuclear de los átomos. El núcleo atómico su masa

representa más del 99% de la masa total de los átomos y tiene carga eléctrica positiva. Alrededor

del núcleo giran los electrones. El radio de los núcleos “R” es varios órdenes de magnitud menor

que el radio atómico.

Consecuencias de este experimento nace la rama de la ciencia Física nuclear. Posteriormente se

encontró que los núcleos están constituidos por número de neuclones A = Z +N, siendo Z número

de protones y N el número de neutrones.

La mecánica cuántica aplicable al estudio de los núcleos predice que la diferencia de energías de

los niveles de energías son de del orden de MeV. Por ejemplo, núcleos excitados decaen al estado

base con la emisión de rayos gamma con energías de MeV. En comparación en la física atómica

relacionada con el mundo de los electrones, y que tiene que ver con los fenómenos químicos, las

energías de excitación de los átomos están en el rango de eV y keV. La emisión de luz y rayos-X,

son algunos de los fenómenos que ocurren cuando los electrones de niveles altos bajan a niveles

inferiores

3. Motivación para construir un Acelerador

Posteriormente al experimento de Rutherford, los científicos de la época su herramienta principal

con lo que disponían eran solo fuentes radiactivas, la cuales eran escasas y de baja intensidad. Sin

embargo usando dichas fuentes se lograron los siguientes importantes descubrimientos:

1) Determinación de radios nucleares, 2)Primera reacción nuclear con intervención del hombre :14N(α,p)16º,

3)Descubrimiento del neutrón (Chadwick 1932),4)Primera fisión nuclear en 1938

Dada las limitaciones del uso de las fuentes radiactivas debido a su poca disponibilidad, la baja

intensidad de estas ya que solo partículas alfas y electrones eran disponible para bombardear los

átomos, los científicos necesitaban disponer de instrumentos para generar proyectiles con los

cuales el experimentador pudiera controlar:

1) El tipo de partícula (protones, deuterones, alfas, 12C+,etc.)

2) Su energía cinética ( E = (1/2) m v2 )

3) Flujo de partículas (corriente eléctrica)

A este instrumento es lo que se denomina un acelerador de partículas. En un inicio la palabra

“acelerador” solo estaba asociada como el instrumento principal de investigación de los físicos

nucleares. Párrafos encontrados en la enciclopedia británica sobre aceleradores es la siguiente:

“los aceleradores de partículas, menciona que fueron creados para el estudio de los núcleos

atómicos y que para la física nuclear este instrumento tiene una importancia similar al telescopio

para los astrónomos y la del microscopio para los biólogos”.

En la actualidad existen aceleradores para diferentes tipos de aplicaciones, tales como los

aceleradores lineales usados en los hospitales de cancerología, implantadores de iones usados en

la industria electrónica para la fabricación de chips usados en circuitos electrónicos; ciclotrones

para la producción de radioisótopos, tomógrafos de emisión de positrones, así como aceleradores

de ultra alta energía para investigación de partículas elementales, etc.

A partir del año 1912 se inició una competencia entre científicos de muchas partes del mundo

para construir el primer acelerador de partículas y obtener la primera reacción nuclear realizada

totalmente por el hombre.

Los ingleses Cockcroft y Walton, 20 años después (1932) fueron quienes ganaron esta

competencia al poner en operación el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron

un haz de protones de bajas energías (150 keV) y lo usaron para bombardear isótopos de litio 7Li. El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutación nuclear hecha

totalmente por el hombre. La reacción nuclear observada en este experimento fue:

p + 7Li 4He + 4He + Qm

Donde Qm es la energía debido a la diferencia de masa de las partículas antes y después de la

colisión que origino la reacción nuclear (16 MeV en este caso).

4. Componentes básicas de un acelerador

Los aceleradores son instrumentos relativamente complejos y su diseño y construcción requiere

de alta tecnología e intervienen muchos campos de la ingeniería. Una forma de clasificar los

aceleradores es por la energía de los proyectiles y los de alta energía o súper aceleradores están

instalados, en algunos laboratorios nacionales de los EUA, (Los Alamos, BrookHaven, Fermi

Lab) y en Europa en el CERN, con un perímetro de más de 28 kms. Las instalaciones de estos

súper aceleradores son impresionantes por su gran tamaño y los cientos de toneladas de

materiales que se requirieron para su construcción.

Sin embargo los conceptos sobre los principios de operación de los aceleradores de bajas

energías y los de muy altas energías son los mismos y son simples y se describen a continuación.

Un diagrama sobre simplificado de un acelerador de partículas se muestra

esquemáticamente en la figura 4, el cual también se usa para definir el concepto de “electrón-

voltio (ev)”. Los elementos básicos son:

1) Fuente de voltaje

2) Fuente de iones (en el esquema es un filamento)

3) Electrodos.

Figura 4. Diagrama esquemático para definir el concepto de “electrón voltio”.

Este esquema contiene las componentes principales de un acelerador de

partículas.

El principio de funcionamiento del cualquier tipo de acelerador, se basa en la interacción de los

campos eléctricos (líneas de fuerza) producidos por fuentes de voltaje sobre la carga eléctrica de

las -partículas generadas en la fuente de iones. Otras partes importantes asociadas a un acelerador

son equipos periféricos tales como: sistemas de vacío, líneas de transporte de haz, cámaras de

experimentación, detectores de radiación ionizante, módulos electrónicos, computadoras, (ver fig.

10), etc.

La energía cinética E de las partículas con carga q = ze (z = 1,2,3,4..) “e” es

numéricamente igual a la carga del electrón o del protón), está relacionada con el voltaje V de

aceleración por la relación:

E = V.q =(1/2)*m*v2 (2)

Como se sabe, las unidades que se usan para la energía en física son los julios y/o ergios.

Sin embargo, para cuantificar la energía de los proyectiles acelerados se acostumbra usar

unidades de electrón-voltio (eV) o sus múltiples: el keV= 1 000 eV, el MeV= 1 000 000 eV, el

TeV= 1012 eV, etc. El uso de estas unidades de energía es debido a la relación simple de la

ecuación anterior, en la cual la energía es numéricamente igual al voltaje.

Los parámetros más importantes que caracterizan a un acelerador son: el tipo de

partículas que pueden acelerar, el flujo o número de estas y el voltaje maximo. El número de

partículas que produce un acelerador es relativamente fácil de medir ya que el haz de partículas

da origen a una corriente eléctrica y su intensidad se expresa en amperios o submúltiplos de esta

unidad. Un acelerador que produce un haz de baja corriente, por ejemplo, de un microamperio,

equivale a un flujo de 6.2x1012 partículas/s, lo cual da una idea del gran número de partículas si

se compara con las producidas por fuentes radiactivas que solo era aproximadamente de un

millon.

5. ACELERADORES EN EL INSTITUTO DE FÍSICA UNAM

Los aceleradores instalados en el Instituto de Fisica, se indica el tipo de acelerador, compañía quien lo

construyo, modelo y fecha de instalación, estos son los siguientes:

1. VAN DE GRAAFF, de 2 MV (Modelo HVECO AN2000), Originalmente Instalado en 1952 para iones positivos. Fue modificado para acelerar electrones en 1964

2. VAN DE GRAAFF DE 0.7 MV (Modelo HVECO AN700), Instalado en 1972. 3. VAN DE GRAAFF DE 5.5 MV (Modelo HVECO CN), Instalado en 1988. 4. TANDEM PELLETRON DE 3 MV (Model NEC 9SDH-2), Instalado en 1996 5. High Voltage Engineering Europa, Tandem de 1 MV Acelerador de espectroscopia de masas ( AMS). En

español la siglas es LEMA). Se usa para determinación de 14C, 26Al 9Be, Instalado 2012

Acelerador Van de Graaff 2 MV

Acelerador Van de Graaff de 0.7 MV

Acelerador Pelletron 3 MV

Acelerador Van de Graaff 5.5 MV

Acelerador LEMA tandem 1 MV

En la figura 5, es una imagen de los aceleradores del IFUNAM

Estos aceleradores son del tipo electrostático .Puede observarse de las imágenes, que 2 de estos

son de estructura vertical y 3 son horizontales.

En otra sección se describe el funcionamiento de los aceleradores electrostáticos.

El acelerador Van de Graaff de 5.5 MV y el LEMA pertenecen al Departamento de Fisica

Nuclear y Radiaciones y los otros 3 aceleradores son del Departamento de Fisica Experimental.

6. Funcionamiento de un generador de voltaje tipo Van de Graaff (VDG)

Figura 6. Modelo de un generador de voltaje tipo Van de Graaff (VDG) que se usa para

demostrar el funcionamiento de la generación del alto voltaje.

Los aceleradores tipo Van de Graaff llevan el nombre de su inventor el Dr. Robert Van de Graaff.

La construcción de este tipo de aceleradores se inició en el año de 1933, cuando se fundó la

compañía “High Voltage Engineering Corporation” quien fabrico centenas de aceleradores y que

fueron muy importantes en el estudio de la física nuclear experimental.

En la fig. 4, usada para definir las unidades de “eV” se mencionó los 3 elementos que

constituyen un acelerador de partículas: fuente de voltaje V, fuente de iones y

electrodos donde se aceleran los iones.A los aceleradores tipo VDG con frecuencia se

hace referencia a estos como “el generador de voltaje VDG”, pero hay diferencias, como

se discute a continuacion

La figura 6 es una imagen de un modelo de un generador VDG usado a nivel de

enseñanza a nivel de preparatoria, con el cual se demuestra la generación de alto voltaje.

A este sistema se le denomina como “Generador Van de Graaff” y el alto voltaje

generado R, Van de Graaff lo uso para medir propiedades dieléctricas de materiales

aislantes.

Las principales componentes del Generador de voltaje VDG son:

1) La columna del generador del acelerador; este nombre se le da porque es la estructura mecánica que soporta en la parte superior el domo metálico y en su interior la fuente de

iones.

2) La banda que transporte la carga eléctrica que es de varias capas de material textil ahulado.

3) Un motor acoplado a la polea inferior, el cual hace girar a la banda. 4) La polea superior que también es un generador de corriente alterna de 110 volts y 420 Hz.

La banda está tensada entre estas dos poleas.

5) Sistema de carga (peine inferior) y de descarga (peine superior) de la banda. 6) Fuente de CD de "carga" o polarización de la banda.

En la figura 7 se muestran imágenes de elementos que constituyen el sistema del generador de

voltaje del sistema del acelerador VDG de 5.5 MV.

Figura 7. Se muestra imagen del sistema de generación de alto voltaje del acelerador VDG de 5.5

MV El domo metálico, la banda de transporte de corriente, polea superior y una sección de

columna.

Figura 8. La banda transporta la carga al domo metálico del acelerador VDG de 5.5 MV. El

material es de una banda de hule de 8 metros de largo y 90 cms de ancho.

Figura 8. La banda transporta la carga al domo metálico del acelerador VDG de 5.5 MV. El

material es de una banda de hule de 8 metros de largo y 90 cms de ancho.

La generación de alto voltaje se logra por el transporte de carga electrostática desde el nivel de

tierra, al domo metálico que está en la terminal de alto voltaje (TAV). Este proceso se explica a

continuación:

La polea inferior está conectada a un motor impulsor y es lo que hace girar la banda la cual

está tensada entre esta polea inferior y la polea superior. La carga es inducida en la banda

mediante "efecto corona", producida por un campo eléctrico intenso generado por una fuente de

alto voltaje (polarización) que se conecta a dos electrodos separados por la banda. Estos

electrodos no tocan la banda. Uno de estos electrodos es una malla metálica cuya longitud es la

misma que el ancho de la banda, su extremo está frente al otro electrodo (pulido). La malla se

"desnuda", quitando algunos hilos de alambre, para que los alambres transversales formen

"puntas agudas", y así generar un campo eléctrico intenso, que son los que producen por efecto

inductivo carga eléctrica a lo largo de la banda. En la polea superior “el peine “construido de una

malla de alambre flexible si toca la banda, la cual descarga al domo metálico la carga eléctrica

transportada. Las cargas eléctricas positivas son neutralizadas por los electrones del domo a

través de otra malla metálica (peine superior). En la superficie del domo metálico pulido se

distribuye la carga Q positiva homogéneamente.

El voltaje V que se produce por la carga Q en la TAV está dado por la relación:

V=Q/C,

Donde C es su capacidad eléctrica que depende de las dimensiones del domo metálico y

expresada en faradios. El máximo voltaje V que se puede generar depende de la longitud de la

columna y si se hace en la atmosfera, depende de la humedad del aire. Con ese sistema se ha

logrado producir un voltaje maximo de 25 MV [ref], en el acelerador instalado en los

laboratorios nacionales de OakRidge,Tenn. La columna del acelerador 30? metros de longitud y

además el generador estaba contenido dentro de un tanque presurizado con un gas dieléctrico

(SF6).

Es importante mencionar que el acelerador denominado Pelletron, también es un acelerador

electrostático. En este acelerador el transporte de carga a la terminal se hace por una cadena de

pelotas metálicas ligadas a unos aislantes de nylon. [ref]

7. El acelerador Van de Graaff de 5.5 MV Cuando al generador de voltaje VDG se incorpora dentro del domo metálico una fuente de iones

y el llamado tubo acelerador, el cual son los electrodos de aceleración de los iones, este sistema

constituye propiamente el acelerador VDG.

En la figura 9 se muestran imágenes de la fuente de iones y del tubo acelerador del acelerador

VDG de 5.5 MV.

Figura 9. Imágenes de la fuente de iones por separado y cuando esta se instala en la terminal de la

columna. Dentro del domo metálico contiene la fuente de iones. En la figura de la derecha se

muestra la imagen del tubo acelerador.

La fuente de iones del VDG de 5.5 MV es del tipo de radio frecuencia (RF) y solo se pueden

ionizar gases. Los haces de iones que se puede producir con este acelerador son: protones,

deuterio, 3He y 4He. Estos gases están en cada uno de los 4 tanques que son visibles en la fuente

de iones ¨[ref].

El tubo acelerador es por de transmiten los iones y estos son acelerados gradualmente desde la

fuente de iones hasta la salida del acelerador. Los electrodos son 132 discos metálicos que son

pegados cada par a un disco de vidrio (aislante eléctrico) con una sustancia epoxica. El voltaje

total de aceleración se divide en 132 partes y se aplica entre cada dos discos metálicos

consecutivos. El voltaje aplicado V es la suma del voltaje entre cada 2 discos consecutivos.

El tubo acelerador además sirve como una lente electrostática debido a que el campo eléctrico

disperso entre cada par de electrodos hace que los iones viajen por el centro del tubo. Se llega a

mencionar que el tubo acelerador es un lente delgada de enfoque para los iones de los iones y

actúa como si fuera un embudo, debido a que obliga a los iones ligeramente dispersados les

corrige sus trayectorias hacia al centro del tubo acelerador.

Por último, la energía cineteca E de los iones acelerados es E = V*q, donde q es la carga eléctrica

de cada ion. Nótese de esta ecuación que la energía E es independiente de la masa de los iones

producidos por el acelerador.

8. Laboratorio con un acelerador de partículas

Generalmente se usa como sinónimo “laboratorio de un acelerador” y simplemente el término

“acelerador”. Obviamente la componte más importante de un Laboratorio del Acelerador es el

Acelerador, pero en esta estructura hay otras componentes (equipos periféricos) necesarias para la

utilización en experimentos de física nuclear experimental u otros usos. Estos conceptos se

ilustran en la figura 10, lo cual es un esquema del laboratorio del acelerador VDG de 5.5 MV.

Estas componentes son:

a) Acelerador de partículas. b) Líneas o tuberías de acero evacuadas para transporte del haz. c) Sistema de vacío (Bombas mecánicas y de difusión o turbo molecular, o bomba

criogénica etc.).

d) Electroimán selector de energía del haz. e) Rejillas aisladas eléctricamente para regulación de la energía del haz. f) Sistema de estabilización electrónica de alto voltaje. g) Lentes eléctricas o magnéticas (dipolos o cuadrupolos) para enfocar el haz en el blanco. h) Cámara de blancos o de experimentación. i) Jaula de Faraday para integrar la corriente del haz. j) Detectores de partículas. k) Electrónica modular de pulsos eléctricos asociada a los detectores. l) Analizador multicanal de altura de pulsos y la computadora asociada con la adquisición

de datos.

El imán selector de energías de iones, es una de las componentes más importantes asociadas

a un acelerador. Este dispositivo es parte de la óptica de iones del transporte del haz desde la

salida del acelerador hasta la cámara de donde se coloca el material que se va a bombardear.

Al iman se le denomina selector de energías del haz porque al ser desviadas usando campos

magnéticos se deduce con mucha precisión la masa, carga eléctrica y energía de los iones

desviados. Dada la importancia para esta tesis el iman selctor de energías, en otra sección se

discutirán con mas precisión su utilidad para los experimentos realizados en el LEMA. Otros

equipos periféricos asociados a un acelerador se pueden consultar en las siguientes

referencias [ref, ref ].

Figura 10. Diagrama esquemático del Laboratorio del Acelerador VDG de 5.5 MV.

Para el uso del laboratorio, se requiere de equipos periféricos o componentes las cuales

se indican en la figura.10.1

10.1 El Laboratorio del acelerador de masas (AMS) o LEMA

En la figura 11 es un equema del laboratorio nacional del acelerador de masas ( LEMA) tal como

se instalo en el año 2012, con el uso excluisivo para la medicion de isopotos en muy bajas

concentraciones ( 14C, 10 Be, 26Al, etc. ).

En la figura 12, se muestra en forma esquematica una modificacion del LEMA que se realizoen el

año de 2017 con la instalcion de un segundo iman selector de energias, el cual es similar al iman

original. La salida de este segundo iman tiene una linea de transmision de haz denominada con

las siglas en el idioma ingles como IBA: (Ion Beam Analysis) y transmite el haz a una camara de

experimentacion en la cual se podran realizar experimentos de fisica nuclear de ineres en

astrofisica nuclear y tambien aplicaciones de analisis de materiles por el bombardeo con iones

(Ion Beam Analysis [IBA] en el idioma ingles..

fig.11. diagrama esquematico del laboratorio nacional de espectroscopia de masas instalado en

2012.

Fig.12, diagrama esquematico donde se indica la instalacion del segundo iman selector de

energias con linea de transmision de haz una linea de transmision de haz denominada con las

siglas en el idioma ingles como IBA: (Ion Beam Analysis). El haz arriba a una camara de

experimentacion donde se pueden realizar analisis de materiales y estudiar reacciones nucleares.

Existen diferencias muy marcadas entre la estructura del LEMA y los otros aceleradores

electrostaticos del Instituto de Fisica, en particular del acelerador VDG que se describio en las

secciones anteriores con algun detalle.

Algunas de las diferencias mas importantes son:

La fuente de iones en el VDG de 5.5 MV se localiza dentro del domo metico de alto volaje,

mientras que en el LEMA la fuente de iones se localiza fuera del acelerador.

En el acelerador VDG la fuente de iones es del tipo de radio frecuencia (RF) y solo se pueden

acelerar iones positivos a partir de de gases: 1H+, 2H+, 3He+ y 1He+.

En el LEMA la fuente de iones se encuentra fuera del aclerador y produce iones con carga

electrica negativa. Las siglas en el idioma ingles son: SNICS: (Sputtring Negative Ion Cessium

Source). En principio se pueden acelerar cualquier elemento de la tabla periodica, i, e, desde

Hidrogeno hasta Uranio.

En el acelerador VDG de 5.5 MV el alto voltaje V se genera con el transporte mecanico de cargas

electricas a traves de una banda al domo metalico.

En el LEMA la generacion del alto voltaje V de acceleracion de iones se realiza con una fuente

de alto voltaje de corriente directa (CD) de un millon de voltios, por lo que este acelerador no

tiene componentes moviles.

El acelerador VDG de 5.5 MV es del tipo de un solo voltaje en la terminal de alto voltaje (TAV).

El LEMA es un acelerador denominado como “tandem” o de dos etapas. El alto voltaje V en el

centro del acelerador esta conectado a los extremos con dos tubos de aceleracion de iones. Con

este dipositivo el voltaje V se utiliza dos veces para incrementar la energia de los iones. Con un

voltaje de 1 MV para protones la enegia a la salida del acelerador es de 2 MeV.

Una descripcion del LEMA y sus principlaes componetes se realizara en el Capitulo 2 con el

objetivo de reportar la caracterizacion de la produccion de iones de diferentes iones producidos

en el LEMA para su utilizacion en la linea denominada IBA, se

CAPITULO 2. Modificacion del del laboratorio de espectrometria de masas con la

incorporacion de la linea de Ion Beam Analysis.

2.1 Componentes principales del LEMA

Para la descripción de su operación global del LEMA, en la figura 2.1 se muestra un esquema del

laboratorio. Para describir la operación del LEMA se puede describir compuesto de las siguientes

equipos: un espectrómetro de masas de baja energía, el espectrómetro de masas de alta energías, y el

acelerador electrostático tipo Tándem de un millón de Volts.

Fig. 2.1. Diagrama esquematico del LEMA. Espectrometro de bajas energias y el espectrometro

de altas energias acopladas por el acelerador tandem de 1 MV.

Fig. 2.1. Esquema de las componentes principales del Laboratorio del Acelerador de Espectroscopia

de Masas (AMS).

En forma similar al del laboratorio del Acelerador VDG de 5.5 MV, en el LEMA tiene equipos

periféricos tales como: bombas de vacío y sus controladores electrónicos, electro válvulas

neumaticas, tuberías de transmisión de haz, lentes eléctricas y magnéticas asociadas a la óptica de

iones, electro imanes selectores de energía, fuentes de corriente y de voltaje, detectores de iones,

módulos de electrónica nuclear , etc. El control de operación del acelerador se realiza a control

remoto a través de una computadora.

2.1.1 Espectrómetro de baja energía. Está formada por la fuente de Iones, dos lente electrostática tipo Einzel, electrodos para mover el haz

en la dirección vertical ( steerer), un analizador electrostático (ESA) y un imán analizador de

energías.

En la fuente de iones se insertan las muestras (cátodos) a analizar y se generan los iones que

componen el haz motivo de estudio. El porta muestras es del tipo revolver donde se pueden poner

hasta 50 muestras. Desde computadora de control, cada uno de estos cátodos se puede seleccionar sin

romper el vacío.

Con los elementos de este espectrómetro se realiza la primera selección de masas y transportar el

haz hasta la entrada del acelerador.

La fuente de iones se le denomina con las siglas en ingles SNICS:“Sputtering Negative Ion Cesium

Source. Su funcionamiento combina los fenómenos de ablación atómica, (sputtering) inducido por un

haz de Cesio de 7 keV para producir átomos libres del material a estudiar, y la “Ionización

Resonante”, para convertir esos átomos neutros en iones negativos al interactuar con el vapor neutro

de Cs, el cual es uno de los elementos de la tabla periódica con el primer potencial de ionización más

bajo. Finalmente, un electrodo de extracción de 28 kV completa el proceso de extracción de los iones

entregando un flujo de iones negativos de 35 keV de energía. La fig. 2.2 muestra en forma

esquemática las componentes de la fuente de iones SNICS [ref]. y el electrodo de extracción

Fig. 2.2. Fuente de iones SNICS y el electrodo de extracción de los iones. ( lupita…favor de

poner esa figura esquemática)

Tras la extracción de los iones de la fuente, estos son enfocados con una lente electrostática tipo

Einzel [ref] sobre la entrada de un deflector electrostático esférico denominada como ESA (siglas

ingles: electrostático analyzer) y esta formado por dos placas en forma de sección de casquetes

esféricos concéntricos de radios r1 y r2 con un voltaje “U “constante entre ellas. La fig. 2.3 es una

imagen de este dispositivo del sistema ESA.

Fig. 2.3 Fotografía de las placas esféricas paralelas del deflector electrostático ESA de baja energía

del LEMA.

El ESA es un dispositivo que “filtra” el flujo extraído de iones y sólo permite el paso de aquellas

partículas que tienen energía cinética igual a 35 keV y que están en el estado de carga negativa -1e.

Escribir la ecuacion…. E =(r1.r2)…

Este flujo de iones ya seleccionados son enfocados por una segunda lente tipo Einzel el “imán

inyector”, que recibe su nombre porque inyecta al acelerador a las partículas que siguen una

trayectoria exactamente a 90° respecto de su dirección inicial. La rigidez magnética del imán inyector

establecida permite que los iones que tienen energía y carga definidas son seleccionados para ser

acelerados y otros iones con diferente masa son rechazados. ( escribir la eq. De rigidez

magnética)

Una ilustración de la operación del LEMA para hacer una medida de concentración relativa de

isótopos de distinta masa, tal como el caso de medir en una muestra la razón de 14C/12C y 13C/12C, se

tienen que inyectar las distintas masas en forma secuencial al acelerador. En el LEMA se selecciona

la rigidez magnética para que los iones de 14C sean inyectados al acelerador. Para inyectar los iones

de 13C y 14C se requiere establecer un voltaje adicional justo antes de la entrada del imán el cual

cambia rápidamente la velocidad (rigidez magnética) de los iones incidentes. Si el voltaje es negativo,

los frena ligeramente y si es positivo, los acelera. De esta manera podemos cambiar ágilmente de una

rigidez magnética correspondiente a una masa (digamos masa 13) a la siguiente anterior ( masa 12) o

posterior ( masa 14). En el idioma ingles a este proceso se le denomina como el uso de una fuente de

voltaje:“bouncer”, debido a que cambia la trayectoria de las masas respecto a cuándo no se usa ese

voltaje. Esta fuente de voltaje es programable y es una componente crucial en la operación del

LEMA. Para el análisis de la concentración de 14C/12C, se realizan 100 medidas por segundo. De los 10

ms disponibles, se usan 100 μs para medir la masa 12, otros 100 μs para la masa 13 y tres veces 100

μs como pausa entre medida y medida para permitir el correcto establecimiento de los voltajes. En

total 0.5 ms, el resto del tiempo 9.5 ms de cada 10 ms, se utiliza para medir la masa 14C

2.2. Acelerador del LEMA El acelerador asociado al LEMA es un acelerador electrostático horizontal del tipo “Tandem” de un

MV. El término “Tandem” significa que dispone de 2 etapas de aceleración de los iones inyectados

desde el espectrómetro de masas de baja energía. Los aceleradores tándem son los que comúnmente

se usan en AMS. Para aislar la terminal de alto Voltaje del acelerador a un millón de Volts del medio

externo se encierra en un tanque que lleno de un gas aislante (hexafluoruro de azufre: SF6) a alta

presión (5 a 6 bar), de modo a evitar descargas mediante la ruptura dieléctrica del medio (Khechen &

Laghari 1989). La figura 2.4 es una fotografía del tanque del acelerador Tandem.

Figura 2.4. fotografía del tanque que encierra el acelerador tandem de 1 MV

La terminal de alto Voltaje se conecta a tierra a través de una serie de resistencias que enlazan platos

equipotenciales de cada uno de los 2 tubos aceleradores, formando un gradiente constante de

aceleraciones de los iones. Dentro de los tubos aceleradores hay alto vacío (10-10 bar) por el que se

propagan las partículas cargadas que son aceleradas de manera controlada hacia la terminal de alto

voltaje, cuando son negativas, o hacia el exterior del acelerador, cuando ya son iones positivos. En la zona de la terminal es donde tiene lugar el proceso de intercambio de carga, por el cual los

iones negativos inyectados pierden parte de sus electrones para ser acelerados una segunda fase.

El proceso de intercambio de carga tiene lugar en la terminal del acelerador, dentro del canal del

mismo nombre y consiste en pasar el haz a través de un conducto en el que se mantiene gas

(normalmente He, Ar, N2, O2 o CO2) a baja presión (unos pocos mbar). En este se produce una serie

atraviesan y como consecuencias adquieren una carga positiva.

Otro factor a tener en cuenta es la ruptura de moléculas que proporciona este proceso y que es

imprescindible para la supresión del fondo molecular. Se sabe que las moléculas no sobreviven a

estados de carga superiores a 3+ (Suter 1998). El intercambio de carga de los iones acelerados es

parte importante de la tesis y se discutirá en otra sección con mayor detalle.

Fig. 2.5. Los 2 tubos aceleradores del acelerador tandem de 1 MV.

2.2.1 La fuente de alto voltaje tipo Cocroft-Walton

Como se mencionó anteriormente el primer acelerador el voltaje de aceleración utilizado fue el diseño

de una fuente de voltaje denominado como generador Cockcroft–Walton (CW), el cual es

circuito eléctrico que genera altos voltajes de corriente directa (CD) a partir de un bajo

voltaje de corriente alterna. Con este acelerador en 1932 este circuito se uso en el primer

acelerador para lograr la primera desintegración nuclear en la historia.

La figura 2.7 es una imagen del generador de alto voltaje construido por CW y utlizado en

el primer acelerador de partículas.

Fig. 2.6… Imagen del generar de voltaje construido por Crocroft y Walton y utlizado en el

primer acelerador de partículas.

La compañia “High Voltage Engineering Europa B:V” (HVEE) quien fabrico el acelerador

LEMA” utiliza conceptualmente los principios de los circuitos eléctricos utilizados por

Cockcroft–Walton, pero con tecnología y materiales modernos. Debido a derechos de

patentes, esta compañía no proporciona diagramas ni detalles de la construcción de estas

fuentes de voltaje y es oportuno mencionar que HVEE incorpora fuentes de alto voltaje

hasta de 6 millones de voltios, las cuales instala en aceleradores de mayor energía que

abastece la demanda de estos aparatos.

En la figura 2.7 es una fotografía de la fuente de alto voltaje de 1 MV del acelerador

LEMA. Esta fuente se encuentra dentro de un tanque presurizado con SF6 y se encuentra a

la misma presión del tanque que contiene el acelerador.

Fig. 2.7. Fuente de voltaje de 1 MV del acelerador LEMA…( Lupita…poner foto de la

fuente de voltaje del LEMA) (pie de figura)

El alto voltaje de la fuente se conecta al domo metálico terminal del acelerador con una

barra de acero inoxidable que pone en contacto la parte central del acelerador..

Un parámetro con que se describen la calidad de las fuentes de alto voltaje de los

aceleradores es que el voltaje de CD sea constante y que no tenga variaciones a través del

tiempo. En circuitos eléctricos este parámetro se le denomina como “Ripley”. Cabe

mencionar que las fuentes de CD de los aceleradores construidos por HVEE tienen

mhtml:file://C:/Users/Eduardo/Desktop/Cockcroft–Walton generator - Wikipedia.mht!https://en.wikipedia.org/wiki/File:Cockcroft%E2%80%93Walton_generator_2012.JPG

variaciones de voltajes de algunos voltios” cuando la fuente se opera a un MV. Esta

característica no se logran con el sistema de generar alto voltaje en el sistema Pelletron,

cuya variación es de varios cientos de voltios.

Con el propósito de describir el principio de como funciona el multiplicador del voltaje en

el sistema de generador de voltaje CW, se muestran un simple circuito eléctrico.

Fig. 2.8 . Sistema multiplicador de voltaje de 2 pasos del sistema Cockcroft–Walton. Las

componentes eléctricas: diodos y capacitores se indican en el diagrama.

El sistema CW solo usa capacitores y diodos. Este sistema multiplica voltajes AC

relativamente pequeños a través de la casaca. En el circuito los rectificados son de media

onda. La gran ventaja de estos circuitos, es que el voltaje a través de cada pasa de la casaca

es el doble del voltaje pico del transformador de entrada.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Cockcroft_Walton_voltage_multiplier_circuit.svg