Técnicas de análisis por haces de iones

ION BEAM ANALYSIS (IBA)

Los aceleradores vienen en muchas formas y tamaños, y hoy hay más de 20.000 de ellos operando en todo el mundo. Ayudan a crear radiofármacos, curar enfermedades, preservar alimentos, vigilar el medio ambiente, fortalecer materiales, comprender la física fundamental, estudiar el pasado e incluso resolver crímenes. […] A medida que la sociedad recurre a la ciencia para resolver grandes problemas y desafíos existenciales, los científicos recurren a los aceleradores para encontrar soluciones y respuestas.

Rafael Mariano Grossi (Director General, Organismo Internacional de Energía Atómica, Viena, Austria)

¿EN QUÉ PENSAMOS CUANDO PENSAMOS EN UN ACELERADOR?

Posiblemente, en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC). Está ubicado a casi 200 metros de profundidad en la frontera entre Francia y Suiza. Con 27 kilómetros de circunferencia, es la máquina más grande jamás construida por el ser humano. Y también es la más cara. Costó unos 12.500 millones de dólares a valores actuales. Pero estos aceleradores gigantescos, caros y dedicados «exclusivamente» a la investigación básica, son la excepción.

Acelerador LHC en 2018. (Imagen: Maximilien Brice, Julien Ordan/CERN)

¿QUÉ ES UN ACELERADOR ELECTROSTÁTICO DE IONES?

En el otro extremo de dimensiones y precios, y dedicados a dar servicios de valor socio-económico, están los aceleradores electrostáticos de iones. Se los puede encontrar en universidades y laboratorios de todo el mundo, desde Beirut en Libano a Melbourne en Australia, desde Dhakka en Bangladesh a Accra en Ghana. En Latinoamerica hay unos pocos, ocho en total, ubicados en Argentina, Brasil, Chile y México.

Acelerador Tandem de 3.4 millones de voltios y sus líneas de análisis (Centro Atómico Bariloche – Instituto Balseiro).

Estos equipos generan campos eléctricos en el rango de los miles a millones de voltios, que permiten acelerar átomos ionizados (es decir, iones) a velocidades superiores a los diez millones de kilómetros por hora.

¿PARA QUÉ SIRVE?

Un acelerador electrostático permite implementar una multitud de técnicas analíticas muy precisas para medir la composición de muestras, ya sean minerales u orgánicas. Estas técnicas de análisis por haces de iones (Ion Beam Analysis, IBA) detectan elementos en concentraciones mínimas, y -muy importante- sin dañar las muestras.

IBA permite revelar detalles sobre la composición de las muestras, si son cristalinas o no, su dureza y propiedades físicas. Se pueden estudiar muestras en distintas formas y fases, ya sean láminas delgadas; pequeños gránulos de tierra; células humanas, animales o vegetales; semillas; rocas; líquidos; o incluso artefactos o estatuas históricas. El análisis puede realizarse en el vacío o en el aire.

A continuación, se detallan algunas aplicaciones de IBA. Las siglas corresponden a las distintas técnicas descriptas al final de este documento.

Monitoreo ambiental

RBS – PIGE – PIXE – µBeam

Las técnicas IBA proveen una capacidad sin parangón para el estudio de la calidad medioambiental de muestras de suelo, agua o aire.

  • Estudio de los riesgos potenciales de la minería aleatoria de oro y su impacto en el medio ambiente (RBS – PIGE – PIXE)
  • Análisis de muestras de suelo y agua del entorno de una mina de cromita para determinar la contaminación por iones metálicos tóxicos (PIXE).
  • Caracterización elemental de partículas en el aire PM2.5 en ciudades de Latinoamérica, Europa y Ásia (RBS – PIXE).
  • Caracterización elemental de 163 muestras de sedimentos marinos afectados por actividades industriales en zonas costeras (PIXE).

Mapeo geológico

RBS – PIGE – PIXE – µBeam

Las técnicas IBA permiten estudiar muestras geológicas con gran rapidez y precisión, y de manera no destructiva. Tan sólo es necesario colocar la muestra frente al haz de iones para recabar información cuantitativa sobre su composición. Esto permite analizar un gran número de muestras sin alterarlas y en muy corto tiempo. En particular, la técnica µPIXE permite realizar un mapeo espacial con una precisión en el rango de los µm (millonésima de metro). Otra característica distintiva es la ausencia de «puntos ciegos», ya que detecta todo tipo de elementos (livianos o pesados) sin distinción.

  • Caracterización de tierras cultivadas (PIXE – RBS)
  • Análisis de componentes de cenizas volcánicas en muestras de suelo (PIXE – XPS)
  • Cuantificación rápida de concentraciones de metales en muestras de sedimentos lacustres (PIXE).

Muestras biológicas

PIXE – PIGE – µBeam – RBS – EDS – NRA – SIMS

Como la muestra no necesita ningún tratamiento específico, ni requiere ser puesta en vacío, las técnicas IBA se destacan por la posibilidad única de estudiar la composición elemental de muestras biológicas, como, por ejemplo, la identificación de elementos tóxicos en plantas y animales. Una aplicación particularmente importante lo representa el estudio de la calidad, seguridad y valor nutricional de los alimentos.

  • Análisis multi elemental de nutrientes básicos (C, H, O), macronutrientes (N, P, K, Ca, Mg y S), micronutrientes (Cl, Fe, Cu, Mn, Ni y Zn) y contaminantes (As) en arroz, maní, chia y almendra (PIGE – RBS – PIXE – EDS).
  • Concentración y distribución elemental en raíces de tubérculos de cultivares de yuca de diferentes regiones agroecológicas (PIXE).

Aplicaciones médicas

PIXE – µBeam – RBS

La mayoría de las técnicas IBA, al operar en aire y ser no destructivas, pueden aplicarse en tejido humano, proveyendo una capacidad única de caracterización y análisis.

  • Imágenes elementales subcelulares de tejidos musculares humanos afectados por enfermedades degenerativas (PIXE – µBeam).
  • Frenamiento de partículas alfa en tejido óseo (RBS).
  • Caracterización de microesferas de PVA sulfonadas para la administración de fármacos (PIXE).
  • Mejora del diagnóstico médico en casos de falla de endoprótesis (PIXE).

Aplicaciones energéticas

RBS – PIXE – PIGE – NRA – IBIC – IBIL

Distintas técnicas IBA son utilizadas con creciente frecuencia para el estudio de combustibles y materiales estructurales en aplicaciones energéticas.

  • Superconductores de alta Tc dopados con cupratos con mejora crítica de la densidad de corriente (PIXE).
  • Estudio de multicapas de óxidos de circonio y silicio para la prevención de accidentes por pérdida de refrigerante (RBS)
  • Intercalado de fluoruro de aluminio y grafito en baterías recargables (RBS – STM)

Patrimonio cultural

RBS – PIXE – PIGE – µBeam

El análisis de haces de iones constituye la técnica más utilizada para el estudio de objetos del patrimonio cultural (obras de arte, libros antiguos, documentos, artefactos arqueológicos, numismática, etc.). Por su carácter no invasivo, su rendimiento incomparable en términos de sensibilidad y precisión, su capacidad de análisis de elementos ligeros y la aplicación de imágenes químicas en 3D, IBA sigue siendo el método más preciso y preferido en comparación con otras técnicas basadas en rayos X.

  • Caracterización y tipología de 36 piezas de cerámica prehispánica de la Cultura Chimú (PIXE – XPS – µBeam)
  • Caracterización de piezas metálicas de joyería y numismática (PIXE)

Análisis forense

RBS – EBS- µBeam – ToF-ERDA, SIMS

Actualmente, la caracterización de residuos de disparos se realiza en base a los metales pesados que se encuentran en las balas. Sin embargo, los cambios en la fabricación están haciendo que estos análisis se vuelvan obsoletos, dando lugar a la introducción de técnicas basadas en haces de iones junto con microscopía electrónico de barrido y espectrometría de rayos X de dispersión de energía (SEM-EDS).

  • Análisis cuantitativo no destructivo de la composición elemental (Pb, Ba, Sb) de partículas en residuos de disparo (GSR) individuales (RBS – PIXE – µBeam).

Tecnología nuclear

Todas las técnicas IBA

Las técnicas IBA son utilizadas en el análisis de elementos combustibles y materiales estructurales, incluyendo el diseño y construcción de reactores nucleares de fisión y fusión.

  • Efecto de una capa de barrera de difusión de dióxido de circonio sobre la migración de diferentes productos de fisión implantados en SiC (RBS – EBS – ERDA).
  • Estudio de retención de combustible en tejas de reactores de fusión (EBS – NRA).
  • Atrapamiento de deuterio en tungsteno dañado (RBS – NRA)

Equipamiento electrónico

RBS – EBS – µBeam – ToF-ERDA – SIMS

En muchas aplicaciones tecnológicas (celdas fotovoltaicas, censores de diversos tipos y rangos, chips electrónicos, etc.) se requiere analizar estructuras multicapa, medir perfiles de profundidad, caracterizar superficies o hacer mapeos 3D. Este amplio abanico de necesidades es resuelto por las técnicas de IBA, incluso en escalas de los µm. En particular, la detección de elementos ligeros, como el litio, sigue siendo un desafío para la mayoría de las técnicas usuales. En su lugar, IBA ofrece la posibilidad única de medir el estado de carga local (SoC) a nivel microscópico.

  • Cuantificación estequiométrica y de distribución espacial en baterías de Litio para el análisis de los mecanismos de envejecimiento y carga/descarga (RBS – EBS – µBeam – SIMS).
  • Efectos de la implantación de iones pesados sobre las propiedades de películas delgadas de óxido de estaño dopadas con flúor (RBS – µBeam – ToF-ERDA)
  • Defectos inducidos por radiación, pérdida de ganancia y aparición de ionización en detectores LGAD (µBeam)
  • Caracterización de biosensores portátiles de óxido de grafeno reducido para la detección del virus de la rabia en mamíferos y humanos (PIXE – XPS)
  • Daño por desplazamiento en sensores de imágenes CMOS por irradiación con neutrones térmicos (RBS)

¿CUÁLES SON LAS TÉCNICAS DE ANÁLISIS «IBA» DISPONIBLES?

En la región se dispone de varias técnicas de análisis IBA. Las cuatro más utilizadas son las siguientes:

RBS

Rutherford backscattering

La Espectrometría por retrodispersión de Rutherford se utiliza para estudiar la estructura y composición de materiales midiendo la retrodispersión del haz de iones. Es particularmente sensible a elementos pesados. Se trata de la técnica de IBA más antigua, creada entre 1909 y 1914 por el grupo de Lord Rutherford en Manchester, Reino Unido.

ERDA

Elastic recoil detection analysis

La técnica de análisis de detección de retroceso elástico es muy similar a RBS, pero en lugar de detectar el proyectil en la dirección hacia atrás, se miden en la dirección de avance. Por ese motivo, es más sensible a elementos livianos. Está técnica fue inventada en 1976 por científicos del laboratorio de física nuclear de la Universidad de Montreal, en Canada.

PIXE

Particle-induced X-ray emission

Cuando un material se expone a un haz de iones, sus elementos emiten rayos X con frecuencias específicas. Así, la emisión de rayos X inducida por partículas es una herramienta no destructiva, rápida y extremadamente sensible para determinar la composición de una muestra, ya sea mineral u orgánica. La técnica fue desarrollada en Universidad de Lund, Suecia, durante la década de 1970.

PIXE aplicado al análisis de objetos artísticos y arqueológicos.

Utilizando haces de iones muy focalizados, se puede realizar un estudio PIXE a nivel microscópico. La técnica de «µPIXE» es especialmente apta para determinar la distribución espacial de elementos en una muestra.

NRA

Nuclear reaction analysis

Al irradiarse con un haz de iones, los elementos químicos pueden experimentar ciertas reacciones nuclear que conducen a su desintegración, emitiendo radiación ionizante. El análisis de reacción nuclear es muy eficaz para medir la distribución en profundidad de los componentes de una muestra.

OTRAS TÉCNICAS

Se enumeran otras técnicas de análisis disponibles en la región