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Estado actual y desarrollos futuros de la instalación de haces de iones en el centro de microanálisis de materiales de Madrid  
Estado actual y desarrollos futuros de la instalación de haces de iones en el centro de microanálisis de materiales de Madrid

Aceleradores de partículas


Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades, y así, hacerlas colisionar con otras partículas o con un medio diana. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un antiguo televisor sería algo muy parecido a un acelerador de partículas.

Hay más de 24.000 aceleradores de partículas en todo el mundo, dedicados principalmente a procesos industriales y aplicaciones médicas, pero también a la investigación científica. Esta cifra incluye grandes máquinas únicas y extraordinarias como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (que alcanza energías de TeV), y también numerosas y pequeñas máquinas como equipos portátiles de rayos X (con energías de pocos keV). Las instalaciones de aceleradores de partículas medianas, que normalmente generan partículas MeV, se encuentran en un régimen intermedio. No están tan extendidos como los sistemas compactos o comerciales, pero tampoco son tan raros como los grandes sincrotrones o colisionadores. De hecho, según la base de datos del OIEA, hay 163 de estas instalaciones que contienen aceleradores electrostáticos (distribuidos en 50 países). Estas instalaciones juegan un papel importante en las actividades de investigación de muchas disciplinas, porque proporcionan la posibilidad de usarlos a cientos de científicos.

Uno de los usos más extendidos de estas instalaciones de aceleradores es la modificación y análisis de materiales mediante haces de iones. Por un lado, los iones pueden implantarse como átomos extraños en la muestra para el dopaje, controlando tanto la profundidad como el flujo, que es una de las aplicaciones más demandadas, especialmente para investigación en materiales semiconductores y microelectrónica.
Además, los iones MeV se pueden utilizar para inducir daño por radiación, pulverización catódica o mezcla. Aprovechando esto, se pueden lograr otros procesos importantes como la nanofabricación, el modelado, la transformación de fase, la difusión mejorada por radiación, el corte y la amorfización. Este conjunto de aplicaciones se conoce comúnmente como modificación de materiales por haz de iones (IBMM).

Por otro lado, las técnicas de haz de iones pueden proporcionar información valiosa sobre la estructura, la naturaleza y la composición de los materiales, lo que permite perfilar la profundidad no destructiva en muchos casos. Entre este conjunto de potentes técnicas bien establecidas, la espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS), el análisis de detección de retroceso elástico (ERDA), la emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) y el análisis de reacción nuclear (NRA, con el caso particular de gamma inducida por partículas) son probablemente los más populares. Sin embargo, estas técnicas se complementan con otros métodos más específicos como la canalización de iones (típicamente combinada con RBS), la ionoluminiscencia (IL), la corriente inducida por haz de iones (IBIC) o la microscopía de iones de transmisión de barrido (STIM).

Estos métodos se conocen como técnicas de análisis por haz de iones (IBA). Sorprendentemente, varias de estas técnicas se pueden aplicar simultáneamente para extraer información complementaria en un enfoque llamado total-IBA. Informes recientes han demostrado el poder de los experimentos de AIB total, que pueden reducir el presupuesto de incertidumbre hasta un 2% en algunos casos. Como resultado de estas capacidades, que aseguran una caracterización precisa de la composición elemental de muestras con buena resolución y selectividad de masas, los científicos que se benefician de ellas pertenecen a múltiples disciplinas: ciencia de los materiales, biología, geología, ciencias ambientales, forense, arqueología y patrimonio cultural, astrofísica, protección radiológica, etc.. Con el fin de hacer más accesibles las técnicas de haz de iones a la comunidad científica ibérica, así como a la europea, el Centro de Microanálisis de Materiales (CMAM) comenzó a funcionar en 2002 en la Universidad Autónoma de Madrid. Inicialmente, estaba equipado con un acelerador en tándem de 5 MV y una línea de haz de iones MeV de cualquier elemento estable. Sin embargo, el laboratorio de haces de iones experimentó varias mejoras y desarrollos desde entonces, con respecto a las fuentes de iones, el acelerador, las líneas de haz y las estaciones experimentales. Como consecuencia, la colección de técnicas y experimentos disponibles ha aumentado considerablemente. Además, la disponibilidad de energías superiores a las alcanzables en instalaciones similares ha impulsado los estudios de reacciones nucleares de interés astrofísico, así como estudios de prueba de principio de imágenes de protones para instalaciones de TP.
En la última década, CMAM ha suministrado alrededor de 12.000 horas de tiempo de haz, destinado a más de 3.000 propuestas científicas de usuarios internos y externos. Entre estos experimentos no estándar, destacamos las capacidades de CMAM para proporcionar iones pesados de alta energía y microhaces de alta resolución.



En el artículo se presenta el estado actual de la instalación de haz de iones en CMAM, describiendo los principales sistemas experimentales abiertos a los usuarios. Se presta especial atención a las características más singulares en cuanto a recursos técnicos y científicos, como el uso de haces de iones pesados y los microhaces internos / externos. Finalmente, también se mencionan algunos de los desarrollos esperados y las perspectivas científicas.
 
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