Emisión de Rayos X Inducida por Partículas: Física Básica y Aplicada

Emisión de Rayos X
Inducida por Partículas:
Física Básica y Aplicada
Javier Miranda
Departamento de Física Experimental

Contenido
• Introducción
• Física básica
• Física aplicada
• Conclusiones

¿Qué es PIXE?
• Particle
• Induced
• X­ray
• Emission

Emisión de rayos X inducida por
partículas
Electrones
Núcleo
Fotón
Ion incidente
Vacante

PIXE: ¿Darle vuelta a la manivela?
Acelerador
PIXE
¡RESULTADO!
TESIS
ARTÍCULOS
SNI
PRIDE
INVITACIONES
ETC.

PIXE: ¿Darle vuelta a la manivela?
Acelerador
PIXE
?

PIXE: dos aspectos relacionados
FÍSICA BÁSICA
FÍSICA APLICADA

Física Básica
Ionización por
protones de bajas
energías
Ionización por iones
pesados

Transiciones electrónicas
N
{
5
4
3
2
1
M
{
5
4
3
2
1
L
K
{
3
2
1
K K K
a a b
1 2 1
L L L L L L L L L L
l a a b h b g b b g
2 1 2 1 1 4 3 3

Ionización con protones de bajas
energías: ¿por qué?
2.5
2.0
1.5
S
ECPSSR
1.0
0.5
0.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
x
R
L
x L

s
Secciones de producción n de
s
rayos X L
X , L
= ( s
L
f + s f f + s f + s )
a
w
1 13 L 1 12 23 L 2 23 L 3 3
X , L b
= ( s f + s f f + s f + s )
s
w
2 , 15 L 1 13 L 1 12 23 L 2 23 L 3 3
s
3 , 4
1 , 3 , 4 L 1 1
L 1 12 L 2 2
G
G
b
X , L b
= s w + ( s f + s )
G
L
g
X , L
= s
L
w + ( s f + s )
g
G
L
2 , 3
1 1
L 1 12 L 2 2
1
1
w
w
G
G
G
G
g
L
1
2
G
b
L
a
G
G
1
2
1 , 2
L
3
b
G
2 , 15
L
3

Transiciones Coster­Kronig
L 3
L 2
f 12
f 23
f 13
L 1

Factores Coster­Kronig
0.3
0.2
Krause
Puri et al.
Experimental
f
23
0.1
0.0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Z

Factores Coster­Kronig
1.0
0.9
0.8
Krause
Puri et al.
Experimental
0.7
0.6
f
13
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
J.L. Campbell, Atomic Data and Nuclear Data
Tables 85 (2003) 291–315
Z

Teorías para la sección eficaz
de ionización
• Aproximación de encuentro binario (BEA)
• Aproximación semiclásica (SCA)
• Aproximación de onda plana de Born (PWBA)
• Teoría ECPSSR
– Correciones de átomo unido (UA), ionización múltiple
(MI), acoplamiento intracapas (IS), captura
electrónica (EC)

Línea L a , ECPSSR
1.5
Exp /s Teo >

Dispositivo experimental
Detector
De Rayos X
Acelerador de
Iones
Imán
analizador
Detector de
Partículas
Muestra
Electrónica Nuclear
Copa de Faraday y
Monitor de Perfil de
Haz
Copa de
Faraday
A
Analizador
Multicanal
Integrador de
Corriente

Línea L a
10 2
Sección de Producción de rayos X L
a (b)
10 1
10 0
H + > Ag
Trabajos previos
Miranda et al. 2004
ECPSSR
ECPSSR­MI
ECPSSR­UA
Reis
10 ­1
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Energía de los Protones (MeV)

Secciones Eficaces Totales
Líneas L
9
8
7
6
Datos Anteriores
M iranda et al. 2001
M iranda et al. 2004
Exp /s ECPSSR
s
5
4
3
2
1
0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
x L
R

Comparación con modelos
teóricos
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
S
Media
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
ECPSSR
ECPSSR­MI
ECPSSR­UA
ECPSSR­UA­MI
0.3
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
x L
R

Emisión de rayos X característicos:
Iones pesados
Átomo libre
Átomo + ion
M
?
Ionización múltiple
Ion
K a K b
L
K
K a K b
Formación de
orbitales moleculares
Captura Electrónica
Átomo Blanco

Modelos teóricos para correcciones
en la emisión de rayos X
• Teoría MECPSSR para incluir orbitales
moleculares (Benka at al.)
• Aproximación Oppenheimer ­Brinkman­Kramers
para captura electrónica
• Corrección de Lapicki y McDaniel para
ionización múltiple

Construcción de la línea de rayos X
en el laboratorio del Peletrón

Secciones de producción de
rayos X K 12 C 4+
1.6
1.4
1.2
1.0
ECPSSR
ECPSSR­UA
MECPSSR
MO
EXP /s THEO
s
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
R
x K

Línea L a
16
O
500
450
400
350
Ce­58
Nd­60
Sm­62
Eu­63
Gd­64
Dy­66
Líneas: L a , proyectil: 16 O
sX [b]
300
250
200
150
100
50
0
7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5
E [MeV]

Dependencia con número atómico
de proyectil en línea L a
700
s
x [barn]
600
500
400
300
200
He
B
C
O
F
100
0
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
E [MeV/uma]

Iones 10 B 2+ : ECPSSR+MI+Puri
2.5
s
Exp /s ECPSSR+MI
2.0
1.5
1.0
0.5
Ce
Nd
Sm
Eu
Gd
Dy
Ho
Yb
Au
Bi
0.0
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80
x L
R

Dispositivo Experimental
• Cámara para estudios
de anisotropía en
emisión de rayos X
• Detector de Rayos X
Si tipo diodo PIN,
fuera de la cámara
• Ventana de Mylar de
12 mm

Iones 12 C 4+

Corrección por Vacantes Múltiples
10
ECPSSR
+Vac.Mult
A
20 / A 20,teo
1
0.1
0.03 0.06 0.09
V 2

Trabajo para el futuro
• Obtener expresiones semiempíricas para
secciones de líneas L con protones (uso
analítico)
• Utilizar otros iones para identificar la
dependencia con número atómico del proyectil
(Li, Be, N, etc.)
• Incluir nuevas correcciones en las teorías para
todos los casos (acoplamiento intercapas,
vacantes múltiples, etc.)
• Mejoras en las bases de datos de parámetros
atómicos, con nuevas mediciones
• Ampliar estudios a líneas M (!)

Física aplicada
Aerosoles
atmosféricos
Estudios biológicos
Alimentos
Arqueometría

Aerosoles atmosféricos
Muestreo
Análisis
Éstadística
Multivariada
Efectos citotóxicos y
genotóxicos

Muestreo
Unidad de Filtros Apilados (SFU)
Diseño de Davis
MiniVol (Airmetrics)
Boquilla de Entrada
Filtro Fracción Gruesa
Filtro Fracción Fina
Rotámetro
Reloj
Bomba de Vacío

Dispositivo experimental aerosoles
Detector
De Rayos X
Acelerador de
Iones
Imán
analizador
Detector de
Partículas
Muestra
Electrónica Nuclear
Copa de Faraday y
Monitor de Perfil de
Haz
Copa de
Faraday
A
Analizador
Multicanal
Integrador de
Corriente

PM 2.5 en FES Iztacala, 2002
4000
Concentración (ng m ­3 )
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
16 Jan
22 Jan
28 Jan
3 Feb
9 Feb
15 Feb
21 Feb
27 Feb
5 Mar
11 Mar
17 Mar
23 Mar
29 Mar
4 Apr
10 Apr
16 Apr
22 Apr
28 Apr
4 May
10 May
16 May
22 May
28 May
3 Jun
9 Jun
15 Jun
21 Jun
27 Jun
3 Jul
9 Jul
15 Jul
21 Jul
27 Jul
SF
ClF
KF
CaF
TiF
VF
CrF
MnF
FeF
NiF
CuF
ZnF
SeF
PbF

NSK en el Centro
1000
900
Concentración NSK (ng/m³)
800
700
600
500
400
300
NSK = K – 0.25 Fe
200
100
0
18­Jun­01
28­Jun­01
08­Jul­01
18­Jul­01
28­Jul­01
07­Ago­01
17­Ago­01
27­Ago­01
06­Sep­01
16­Sep­01
26­Sep­01
Fecha

Análisis de cúmulos: Colima
3.5
3.5
3.0
3.0
2.5
2.5
Linkage Distance
2.0
1.5
1.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0
Vy
Cu
Zn
K
Cl
S
Ni
Cr
V
Ti
Fe
M n
Ca
Si

Modelos de dispersión y de
receptor
Dispersión
Receptor

Contribuciones de Fuentes:
APCA Ciudad de México M
1995
20%
Fracción
Fina
22%
28%
30%
Suelo Tráfico Cl­Zn Industria
4% 15%
29%
52%
Fracción
Gruesa
Suelo Combustóleo Industria Tráfico

APCA: Ciudad
de México
2002
Sitio Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4
S uelo Industria1 Industria2 Combustible
S, K, Ca, Ti, Cl, Mn, Cu, Cr, Se, Pb S, V, Ni
Fe Zn, Pb
5.4% 0.23% 0.054% 3.5%
Norte,
Fracción
Fina
Norte,
Fracción
Gruesa
C entro,
Fracción
Fina
Centro,
Fracción
Gruesa
S ur,
Fracción
Fina
S ur,
Fracción
Gruesa
Combustible
S, Cl, V, Cr,
Ni
0.64%
Combustible
S, V, Ni
13%
Suelo
Si, S, K, Ca,
Ti, Mn, Fe
10%
Suelo
Cl, K, Ca, Ti,
Mn, Fe
3.1%
Suelo
Si, S, Cl, K,
Ca, Ti, Mn,
Fe
9.7%
Humo
S, K
0.29%
Suelo
Ca, Ti, Mn,
Fe
6.3%
Combustible
S, V, Cr, Ni
0.014%
Industria1
Cu, Zn, Se,
Pb
0.73%
Combustible
/Industria
S, V, Ni, Cu,
Zn
0.48%
Suelo
Si, C a, Ti,
Mn, Fe
7.1%
Sal
Cl, K
1.6%
Sulfato
S, Cl
0.48%
Combustible
S, V, Ni
2.5%
Industria2
V, Cr
0.019%
Industria
Cu, Zn, Pb
0.016%
Industria
Cu, Zn, Se,
Pb
3.1%
Industria
Cu, Zn, Pb
0.14%
Industria2
Cr
0.026%
­­­

Efectos citotóxicos y genotóxicos inducidos por PM 10
Generación OH · (EPR)
100
Citotoxicidad (Crystal Violet)
80
% viability
60
40
N
C
S
20
0.45
0.40
Inducción de p53 (ELISA)
0
20 40 80
Concentration (µg/cm 2 )
OD (405 nm)
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h
Trabajos próximos:
•ZMCM
•Mexicali
•Ciudad Juárez­El Paso
0.10
0.05
0
CT N C S MtSH ActD

Arqueometría
Efectos de
contaminación en
Templo Mayor
Caracterización de
estucos y obsidianas
Caracterización de
cerámicas

Banquetas del Recinto de los
Guerreros Águila

Pinturas de las Banquetas del Recinto de
los Guerreros Águila
Diferencia de Número de Fotones Relativo
7
6
5
4
3
2
1
0
­1
­2
Si
P
S
K
Ca/5
Ti
V
Crx10
Fe/10
Asx10
A m arillo 1
A m arillo 2
B lanco
R ojo/A m arillo
R ojo 2
A zul

Estucos del Templo Mayor
Número de Fotones Relativos a Calcio
1.E+00
1.E­01
1.E­02
1.E­03
1.E­04
M1 Exp
M1 Limpia
M4 Exp
M4 Limpia
M5 Exp
M5 Limpia
M5 Rep
M6
S K Fe Zn Pb

Xochicalco
Estucos, cementos y aplanados
Porcentaje en masa
Elemento E4 E8 A2 T2
Mg 1.3 2.1 2.4 0.62
Al 10.5 7.7 9.0 4.4
Si 18.5 17.4 16.0 6.5
P 0.28 0.14 0.29 0.1
S 0.47 0.23 0.22 0.09
Cl 0.04 0.16 0.14 0.1
K 0.33 0.09 0.33 0.28
Ca 15.1 17.9 17.7 30.4
Ti 0.08 0.10 0.53 0.01
Fe 0.31 0.46 0.45 0.21

Obsidianas de Baja California Sur
Fe
K
Ca

Análisis de cerámicas
Characterization of pre­Hispanic pottery from Teotihuacan,
Mexico, by a combined PIXE­RBS and XRD analysis.
J. L. Ruvalcaba­Sil, M.A. Ontalba Salamanca, L. Manzanilla, J.
Miranda, J. Cañetas Ortega y C. López.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 150
(1999) 591­596.
Ion Beam Analysis of Pottery from Teotihuacan, Mexico.
M.Á. Ontalba Salamanca, J.L. Ruvalcaba­Sil, L. Bucio, L.
Manzanilla y J. Miranda.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 161
(2000) 762­768.

Estudios biológicos
Pulmón canceroso
Anillos de árbol

Tejido pulmonar canceroso

Cocientes concentraciones
Elemento
S
Cl
K
Ca
Fe
Co
Cu
Zn
Cociente
Tejido canceroso / tejido sano
1.04 ± 0.20
0.41 ± 0.28
6.35 ± 4.62
0.94 ± 0.41
0.74 ± 0.43
1.85 ± 0.82
1.13 ± 0.79
0.93 ± 0.28

Estudio de anillos de árbol
• Núcleos de 40 cm de Pinus montezumae y
Abies religiosa de bosques de parques
nacionales
• Extracción usando un taladro Pressler ®

Pinus montezumae de Parque
Nacional Iztapopocatépetl
C o n c e n t r a t i o n ( m g / g )
4
Zn
2
0
2
Cr Mn Fe Ni Cu
0
6
4
2
0
7
6
5
4
3
2
1
0
8
6
4
2
0
6
4
2
0
1 9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0
X 1 0 0
1 9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0
Y e a r

Análisis de cúmulos para Pinus
montezumae de Iztapopocatépeptl
2.5
2.0
Linkage Distance
1.5
1.0
0.5
0.0
Ni
Ti
Cu
S
Fe
Cr
Zn
V
Ca
K
Cl
Mn
Width

Alimentos
Puré de jitomate
comercial
Nopal

Preparación n de muestras
Alcohol etílico 50 °C
3 ton
Mortero de ágata

Puré de Jitomate/Nacional
40
Concentración (mg/kg)
35
30
25
20
15
10
Ti
V
Cr
Fe
Cu
Zn
5
0
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M9 M10 M11 M12 M13 NAT
Muestra

Puré de Jitomate/Importado
50
Concentración (mg/kg)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Ti
V
Cr
Fe
Cu
Zn
0
USA1
USA2
USA3
Colombia
Muestra
Chile1
Chile2
Japan

Variedades de nopal

Resultados para nopal
250
Concentración (mg/kg)
200
150
100
50
Milpa Alta L
Copena L
Robusta L
Atlixco L
Nopalea L
0
Cr Mn Fe Cu Zn As Br Rb Sr

Conclusiones
• PIXE no es una técnica para “apretar
botones” y obtener resultados
• Falta mucha información de magnitudes
físicas básicas
• Las aplicaciones en el IFUNAM son muy
variadas y tienen impacto social
• Se extenderán las aplicaciones con la
instalación de la microsonda de iones