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Aceleradores de Partiacuteculas Parte I
Coleccioacuten
Informes Teacutecnicos
21999
Aceleradores de
Partiacuteculas
Parte I
EDITORES
Rafael Caro Gustavo Loacutepez Ortiz M Fernanda Saacutenchez Ojanguren
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos 2 1998
ir S il
Parte I
AUTORES
Rafael Caro (CSN)
Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)
Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)
Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)
Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)
Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)
J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)
Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)
Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)
Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)
Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)
CONSEJO DEidJi SEGURIDAD NUCLEARS N -~
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos Referencia INT-IO02
copy Copyrighr 1999 Consejo de Seguridad Nuclear
Edira y distribuye Consejo de Seguridad Nuclear Jusro Dorado J J 28040 Madrid Espantildea hrtpwwwcsnes pericionescsnes
Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA
ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999
iexclJ modo el e presen iacioacuten
Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores
En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo
Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente
111 iacutel eI eJ 1o
Consejero del CSN
7
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
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University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
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4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
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Nostrand Co lne 1970
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Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
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Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
Aceleradores de
Partiacuteculas
Parte I
EDITORES
Rafael Caro Gustavo Loacutepez Ortiz M Fernanda Saacutenchez Ojanguren
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos 2 1998
ir S il
Parte I
AUTORES
Rafael Caro (CSN)
Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)
Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)
Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)
Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)
Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)
J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)
Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)
Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)
Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)
Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)
CONSEJO DEidJi SEGURIDAD NUCLEARS N -~
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos Referencia INT-IO02
copy Copyrighr 1999 Consejo de Seguridad Nuclear
Edira y distribuye Consejo de Seguridad Nuclear Jusro Dorado J J 28040 Madrid Espantildea hrtpwwwcsnes pericionescsnes
Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA
ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999
iexclJ modo el e presen iacioacuten
Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores
En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo
Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente
111 iacutel eI eJ 1o
Consejero del CSN
7
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
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University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
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11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
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3
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I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos 2 1998
ir S il
Parte I
AUTORES
Rafael Caro (CSN)
Joseacute Miguel Delgado (Instituto Madrilentildeo de Oncologiacutea)
Oiga Fernaacutendez-Flygare (UCLA California)
Luciano Gonzaacutelez Garciacutea (Universidad Complutense)
Ma Cruz Lizuain Arroyo (Hospital Princeps dEspanya Belvitge)
Gustavo Loacutepez Ortiz (CSN)
J WMartiacute Climent (Universidad de Navarra)
Santiago Millaacuten Cebriaacuten (Universidad de Zaragoza)
Celestino Saacutenchez Angu lo (Universidad de Sevilla)
Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren (CSN)
Eliseo Vantildeoacute Carruana (Universidad Complutense)
CONSEJO DEidJi SEGURIDAD NUCLEARS N -~
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos Referencia INT-IO02
copy Copyrighr 1999 Consejo de Seguridad Nuclear
Edira y distribuye Consejo de Seguridad Nuclear Jusro Dorado J J 28040 Madrid Espantildea hrtpwwwcsnes pericionescsnes
Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA
ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999
iexclJ modo el e presen iacioacuten
Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores
En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo
Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente
111 iacutel eI eJ 1o
Consejero del CSN
7
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van
Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
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XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of
California Berkeley WH Freeman and Company
New York 1980
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10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic
PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag
1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
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I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
Coleccioacuten Informes Teacutecnicos Referencia INT-IO02
copy Copyrighr 1999 Consejo de Seguridad Nuclear
Edira y distribuye Consejo de Seguridad Nuclear Jusro Dorado J J 28040 Madrid Espantildea hrtpwwwcsnes pericionescsnes
Maqueracioacuten Ediciones Doce Calles Impresioacuten Artegraf SA
ISBN 84-87275-93-1 Depoacutesiro legal M 56J7-1999
iexclJ modo el e presen iacioacuten
Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores
En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo
Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente
111 iacutel eI eJ 1o
Consejero del CSN
7
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van
Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo
XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of
California Berkeley WH Freeman and Company
New York 1980
9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP
Press New York 1994
10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic
PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag
1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
iexclJ modo el e presen iacioacuten
Los aceleradores de partiacuteculas cargadas han sido siempre una especie de asignatura pendiente en nuesshytro paiacutes y salvo pequentildeos o muy pequentildeos acelerashydores de gabinete de Fiacutesica y un par de aceleradores serios -un Van de Graaff y dos Cockroft-Walton de la lEN en la deacutecada de los cincuenta- apenas ninguna experiencia se teniacutea en este campo Por supuesto el CERN y otros laboratorios internacionales han puesto a la disposicioacuten de nuestros cientiacuteficos todo su magniacuteshyfico arsenal pero lo que se dice conocimiento disentildeo explotacioacuten utilizacioacuten a nivel domeacutestico el acervo nacional era maacutes bien pequentildeo Sin embargo en la uacuteltima deacutecada aproximadamente el panorama empeshyzoacute a cambiar sobre todo en el campo cliacutenico en gran medida debido a la sustitucioacuten de fuentes encapsulashydas tanto asiacute que el Consejo de Seguridad Nuclear una de cuyas competencias en exclusiva a nivel nacional es la Proteccioacuten Radioloacutegica (PR) ha tenido que hacer el esfuerzo de crear una capacidad de actuacioacuten para tratar los aspectos de PR asociados a la utilizacioacuten de los distintos tipos de aceleradores
En esta monografiacutea los autores son auteacutenticos protashygonistas en nuesto paiacutes del diacutea a diacutea de la utilizacioacuten de los aceleradores de partiacuteculas cargadas y sus aplishycaciones a la docencia e investigacioacuten y sobre todo en el campo cliacutenico Naturalmente esto presta a esta obra un valor incalculable para todos los profesionashyles relacionados de una forma o de otra con este conshyjunto de disciplinas En cuanto a las grandes maacutequishynas es decir las del CERN Brookhaven y otros granshydes laboratorios probablemente sean objeto de un volumen II el proacuteximo antildeo
Hay que adve rtir que esta publicacioacuten estaba prevista para bien entrado el antildeo 1999 pero que ciertas pecushyliaridades burocraacutetica-administrativas del CSN surgieshyron la conveniencia de adelantar el proceso tarea nada faacutecil por cuanto el tiempo es un bien escaso y ciertamente si no hubiera podido contar con la habilishydad casi maacutegica en el manejo de los recursos ofimaacutetishycos de mi colaboradora Amparo Castillo Villaverde la empresa hubiera sido irrealizable Quiero expresa rle aquiacute todo mi reconocimiento al igual que a todos los autores y a Ma Fernanda Saacutenchez Ojanguren Gustavo Loacutepez Ortiz y Alfonso Fernaacutendez Llorente
111 iacutel eI eJ 1o
Consejero del CSN
7
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van
Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
7 LOacutePEZ PI NtildeERO JM Ciencia) enfermedad en el siglo
XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of
California Berkeley WH Freeman and Company
New York 1980
9 WALDEMAR HS Biomedical partice acceleraurs AlP
Press New York 1994
10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic
PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag
1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
El descubrimiento de la radiactividad natural por
Henri Becquerel en 1896 no soacutelo puso en evidencia
una importantiacutesima propiedad de nuestro universo
fiacutesico ligada a su propia evolucioacuten y transformacioacuten
sino que proporcionoacute una herramienta insoacutelita que la
mente preclara de lord Rutherford y de otros eximios
cientiacuteficos no tardaron en saber utilizar las radiacioshy
nes nucleares procedentes de las desintegraciones
radiactivas eran auteacutenticos bisturiacutees para penetrar en
lo maacutes iacutentimo de la estructura de la materia Soacutelo grashy
cias a esas radiaciones y a la creatividad del ingenio
humano -que esa vez siacute supo estar a la altura de lo
que explica el Geacutenesis- se pudo rasgar la materia
como hasta entonces no habiacutea habido ocasioacuten de
hacer para encontrar algo tan sorprendente como lo
que ahora tan familiarmente llamamos estructura
nuclear del aacutetomo casi toda la masa estaacute concentrada
en su nuacutecleo central que praacutecticamente no ocupa
nada de volumen y casi todo el volumen estaacute ocupashy
do por la corteza electroacutenica que no llega a represenshy
tar ni una mileacutesima de la masa
Aquel fue el primer y maacutes importante paso para indashy
gar sobre la estructura de nuestra materia y curiosa y
naturalmente llevoacute a explicar los fenoacutemenos de lo maacutes
minuacutesculo con ideacutenticas leyes que explican la evolushy
cioacuten de lo maacutes grande las galaxias Volviacutea afortunadashy
mente a encontrarse la unicidad newtoniana de que la
caiacuteda de la manzana obedece a las mismas leyes que
gobiernan el movimiento de los planetas
Muy pronto los cientiacuteficos encontraron que ese marashy
villoso bisturiacute proporcionado por la radiactividad
natural les era insuficiente Se requeriacutean partiacuteculas
con mayor energiacutea para penetrar auacuten maacutes hondamente
en la materia y descubrir nuevas propiedades y nuevos
fenoacutemenos de su estructura maacutes iacutentima Nacioacute asiacute la
sed por acelerar partiacuteculas subatoacutemicas aprovechanshy
do su carga eleacutectrica Nacioacute asiacute la historia de los aceleshy
radores
Los pioneros de este campo fueron gente tan ingenioshy
sa como resuelta y mueve a simpatiacutea ver a Walton en
su laboratorio metido en un cajoacuten de madera que le
serviacutea de aislante eleacutectrico Nombres como Van de
Graaff Cockroft Lawrence o Aacutelvarez son loacutegicam enshy
9
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
te reverenciados como padres de esta historia de la
que se derivan los actuales aceleradores que ocupan
decenas de kiloacutemetros y en los cuales se inducen reacshy
ciones subnucleares que re-crean partiacuteculas como los
bosones-vector descubiertos por Carlo Rubbia que
desaparecieron de nuestro universo hace maacutes de diez
mil millones de antildeos
El motor fundamental del desarrollo de los aceleradoshy
res ha sido la curiosidad cientiacutefica posiblemente el
motor maacutes feacutertil en la historia de la Humanidad sin
querer desmerecer en absoluto la impulsioacuten del penshy
samiento filosoacutefico religioso o socioeconoacutemico Pero
la utilidad de los aceleradores ha trascendido el
campo de la investigacioacuten cientiacutefica pura y se
encuentra cada vez maacutes orientada a otras aplicacioshy
nes tanto industriales como sobre todo meacutedicas
Directamente aplicados al paciente o usando su
radiacioacuten para la produccioacuten de radioemisores muy
bien caracterizados los aceleradores son hoy diacutea
herramientas meacutedicas en expansioacuten tanto en tratashy
mientos anticanceriacutegenos como en diagnoacutestico La
histologiacutea humana es complejiacutesima y no poco delicashy
da y la determinacioacuten precoz de malformaciones
ocurridas en su seno es una de las aspiraciones fundashy
mentales para luchar contra todo tipo de tumores
Para ello hace falta tambieacuten una herramienta adecuashy
da que discrimine diversos tipos de tejidos en espacio
minuacutesculo lo cual exige una resolucioacuten casi a nivel
atoacutemico -y perdoacuteneseme la exageracioacuten- como la que
podriacutean llegar a dar la tomografiacutea por emisioacuten de
positrones y otras teacutecnicas parejas
El positroacuten no es una partiacutecula de nuestro mundo
sino precisamente del opuesto la antimateria De ahiacute
que su raacutepido aniquilamiento produzca una sentildeal de
muy alta precisioacuten Pero en nuestro haacutebitat careceshy
mos de nucleidos que emitan positrones y por ende
hay que generarlos -gracias a los aceleradores natushy
ralmente Tal es el caso del C-11 o del F-18 por citar
dos ejemplos atoacutemicos de nuestra biologiacutea
El campo de los aceleradores ha sido uno de los
menos trabajados en nuestro paiacutes Al contrario que en
los reactores nucleares donde Espantildea ha hecho un
gran esfuerzo de asimilacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico
que se ha visto recompensado con un fructiacutefero secshy
tor nuclear que produce el 30 de nuestra electricishy
dad en los aceleradores Espantildea no ha desarrollado
un sector activo y en las todaviacutea escasas instalaciones
con que contamos evidenciamos una excesiva depenshy
dencia respecto a tecnologiacuteas foraacuteneas lo cual tendraacute
que paliarse si su futuro desarrollo es tan importante
como algunas perspectivas contemplan
En este libro se presenta yo diriacutea que por primera
vez en Espantildea una visioacuten coherente y sistemaacutetica del
mundo de los aceleradores y sus aplicaciones hacienshy
do no obstante la salvedad que este mundo es muy
vasto tan largo intelectualmente como los 27 kiloacutemeshy
tros del LEP del CERN y que por tanto resulta difiacuteshy
cil encapsularlo en tan soacutelo centenares de paacuteginas
Pero el libro va a tener repercusioacuten notoria llamaraacute la
atencioacuten sobre un tema que ciertamente la requiere y
que al estar iacutentimamente ligado a las radiaciones es y
seraacute objeto de atencioacuten por parte del Consejo de
Seguridad Nuclear
Auacuten cuando hayan pasado maacutes de setenta antildeos desde
que los pioneros de esta especialidad iniciaron su
andadura se podriacutea decir que el aacutembito de los aceleshy
radores es auacuten muy joven y que su extensioacuten fuera de
la investigacioacuten pura no ha hecho sino iniciarse En
plan jocoso en la comunidad nuclear suele decirse
que es mucho lo que ha pagado la humanidad para
propiciar el desarrollo de los aceleradores y que va
siendo hora de que los aceleradores devuelvan a la
sociedad en forma de aplicaciones pragmaacuteticas lo
que la sociedad ha hecho por ellos Y muchos en esta
comunidad nuclear creemos que ello es posible
Por ejemplo la transmutacioacuten de los maacutes indeseables
residuos nucleares es algo cientiacuteficamente posible con
aceleradores Por supuesto se ha de desarrollar tecshy
noloacutegicamente esta potencialidad para que ello sea
econoacutemico y sobre todo seguro
Los aceleradores son aparatos complejos pero su
funcionamiento y leyes son sin embargo perfectamenshy
te conocidos Ello da pie a que puedan estudiarse y
disentildearse para satisfacer necesidades especiacuteficas de lo
cual da cuenta este libro Y por mor de la irrenunciashy
ble seguridad es loacutegico y loable que desde el Consejo
de Seguridad Nuclear se esteacute prestando tanta atenshy
cioacuten al tema
JO
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
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Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
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XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
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10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic
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1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
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13 SCHARF W Particle accelerators and their wes
Harwood Academic Publishers 1986
14 WILSON RG - GR BREWER Ion beams John Wiley
amp Sons 1973
3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
Quisiera a guisa de epiacutelogo en el proacutelogo agradeshy
cer al Consejo su amable invitacioacuten para escribir
esta presentacioacuten y en particular quisiera agradeshy
ceacuterselo al Consejero que me animoacute a ello el Prof
Rafael Caro maestro de tantas promociones
nucleares cuya inquietud intelectual corre a la par
que su dedicacioacuten y conocimientos a todo lo cual
hago aquiacute mi aprecio Y una de las obligaciones
que tienen los intelectuales es dar a la imprenta
sus ideas una vez bien consolidadas para coadyushy
var al mejor desarrollo del conocimiento humano
y a esa obligacioacuten se hace honor en estas paacuteginas
por parte de los autores De ahiacute que me permita
parafrasear para alabar este libro una de las senshy
tencias castellanas que maacutes admiro Cambiando el arma por las radiaciones quisiera apropiarme de
la frase cervantina laquoNunca la lanza embotoacute la plumaraquo
Catedraacutetico de Ingenieriacutea Nuclear ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politeacutecnica de Madrid
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
Sumari o
A modo de presentacioacuten 7
Proacutelogo 9
Sumario 13
Capiacutetulo I 15
Capiacutetulo II 27
Capiacutetulo III 47
Capiacutetulo IV 83
Capiacutetulo V 97
Capiacutetulo VI 131
Capiacutetulo VII 151
Capiacutetulo VIII 169
Autores 193
Iacutendice de contenidos 199
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
5 GLiSSTONE S Source Book 011 Aomic Ellergy Van
Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
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XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
8 SEGRE E From X-Rays 0 Quarks University of
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10 WIEDEJlANN H Partice Aceleraors PhyJlcs Basic
PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag
1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
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I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
1
1[1 r I~ O D lJ e e I () N I I I ~ ) I () I~ I ( 1 Y ( I I N 1 I I I (
1lfJc l Caro ( tlsiavo lOacuteiexclJC (irll JI NI cmanda SJnre7 OjiexcliexclngllliCn (crv)
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
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University Wiseonsin Press 1953
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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
J iexclliexclese nteacutel cioacuten
Este libro pretende mostrar expliacutecitamente el origen y
la razoacuten de ser de los aceleradores y de su entorno
actual que comprende desde las aplicaciones meacutedicas
e industriales a las grandes maacutequinas empleadas en la
vanguardia cientiacutefica de la investigacioacuten Por supuesshy
to siendo el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN)
quien lo promociona y edita el eacutenfasis estaacute puesto en
los temas de su competencia que hay que recordarlo
ejerce en exclusiva en Espantildea en los temas de
Proteccioacuten Radioloacutegica y Seguridad Nuclear Esta es
pues la razoacuten por la que los aceleradores meacutedicos y
los industriales reciban una atencioacuten preferente en
esta obra y se ha dejado para un segundo volumen a
publicar en 1999 los grandes aceleradores dedicados a
produccioacuten y sobre todo a investigacioacuten
El efecto terapeacuteutico y el dantildeino de las radiaciones
es un fenoacutemeno conocido desde los primeros tiempos
de esta ciencia que dicho sea de paso cada vez es
maacutes tecnologiacutea y menos ciencia El procedimiento maacutes
simple desde el punto de vista operacional para aplishy
car esta terapia ha consistido en disponer de fuentes
de radiacioacuten individuales su encapsulamiento pretenshy
diacutea garantizar la proteccioacuten a terceras personas La
ventaja fundamental de esta instrumentacioacuten estaacute en
que no requiere grandes instalaciones aunque esta sea
una caracteriacutestica que variacutea notablemente de caso a
caso Su mayor desventaja reside en que no se puede
interrumpir su funcionamiento y ademaacutes y un poco como consecuencia de ello su intensidad decae y con
el tiempo la fuente debe ser renovada o substituida
Un riesgo adicional maacutes o menos remoto seguacuten los
casos es su posibilidad de extraviacuteo
Asimismo el descubrimiento de la radiactividad artifishy
cial por parte de Joliot e Irene Curie en 1934 proporshycionoacute una cantera casi inagotable de radioisoacutetopos o
sea emisores de radiacioacuten para ser usados en medicishy
na tanto en el campo del diagnoacutestico como en el de la
terapia
Este hecho tuvo lugar cuando la pareja de investigashy
dores mencionada haciacutean interaccionar partiacuteculas a
emitidas por polonio natural sobre elementos ligeros
como boro magnesio y aluminio La sorpresa del
experimento consistioacute en que al retirar la fuente de
partiacuteculas a es decir el polonio seguiacutea teniendo lugar
una emisioacuten de positrones (e) La interpretacioacuten que
los Joliot-Curie dieron al fenoacutemeno fue que se trataba
de una reaccioacuten (a n) en la primera etapa seguido de
una desintegracioacuten e (positroacutenica) del nuacutecleo formashy
do Por ejemplo en el caso del aluminio las ecuacioshy
nes seriacutean
y la desintegracioacuten ~
subsiguiente (11)
Esta serie de experimentos fue repetida a partir de
entonces en muchos otros laboratorios y en pocos
antildeos se produjeron maacutes de ochocientos radioisoacutetopos diferentes
Por otra parte el descubrimiento de la fisioacuten y la
entrada en funcionamiento subsiguiente de los reacshy
tores nucleares supuso la aparicioacuten en escena de una
grandiacutesima cantidad de radioisoacutetopos puesto que
todos los fragmentos de fisioacuten lo son Tiene este meacutetoshy
do el gran inconveniente de exigir como fase intermeshy
dia de reproceso del combustible irradiado fase que
estaacute prohibida o al menos inoperante en muchos paiacuteshyses por razones socio-poliacuteticas Tambieacuten hay que
advertir sobre la existencia de reactores productores
de radioisoacutetopos conseguidos por irradiacioacuten neutroacuteshy
nica sobre muestras introducidas a tal efecto
Por otra parte los aceleradores -maacutequinas que mershy
ced a una combinacioacuten adecuada de campos eleacutectricos
y magneacuteticos imparten energiacutea a un haz de partiacuteculas eleacutectricamente cargadas- son instalaciones complejas
que requieren grandes inversiones para su instalacioacuten
pero que como contrapartida permiten en general la
produccioacuten de haces de partiacuteculas variables en intenshy
sidad y en energiacutea Incluso se pueden desconectar
cuando no estaacuten siendo usados y por supuesto no tieshy
nen ninguna posibilidad de extraviacuteo Los tres tipos
que pueden considerarse como origen de la gran
variedad existente en la actualidad -Cockroft-Walton
Van de Graaf y Ciclotroacuten- se describen brevemente
en este capiacutetulo introductorio
16
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
1 ACKEHKNECHT EH Rudol Virchow Madison
University Wiseonsin Press 1953
2 ALBARRACIacuteN TEuL()N A La teoriacutea celular Alianza
Editorial Madrid 1983
3 CERN Report of Aetivities in the Divisions Annual
Report 1966
4 CERN Aeeelerator Sehoo CERN-96-02 (1966)
Cyclotrons linaes and their applieations S Turner
Ginebra
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Nostrand Co lne 1970
6 IAEA Sajey Series Ndeg 102 Reeommendations for the
Safe Use and Regulation of Radiation Sources in
Industry Medicine Researeh anel Training Viena
1990
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XIX Editorial Peniacutensula Barcelona 1985
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PrillCljJles and Lineal Bmm DY7lamzcJ Springer Verlag
1993
11 D OUGLASJS RL DrXON laquoSeeondary Hielding
Barriers for Diagnostie X-Ray Facilites Scatter ancl
Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
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I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
I il r iexcl) - r 1 I t ~ I ~ v t
Las partiacuteculas cargadas que maacutes frecuentemente se
utilizan en aceleradores son los electrones (partiacuteculas
E) protones (nuacutecleos de H) deuterones (nuacutecleos de
deuterio) partiacuteculas a (nuacutecleos de He) e iones pesashy
dos Los electrones son muy faacuteciles de obtener y su
relacioacuten cargamasa es muy elevada lo que les hace
idoacuteneos para ser muy utilizados directamente o bien
en terapia o bien como origen de radiacioacuten de frenado
(bremsstrahlung) en gammaterapia o fototerapia Los
protones nuacutecleos de hidroacutegeno que tienen la misma
carga (aunque positiva) y una masa 18360 a la de los
electrones tambieacuten se prestan muy bien para ser aceshy
lerados se utilizan directamente en neutroacuten-terapia y
mesonterapia Los deuterones se usan aceleraacutendolos
para la produccioacuten de ciertos radionucleidos para
usos meacutedicos y las partiacuteculas a tan utilizadas en los
tiempos pioneros de la Fiacutesica Nuclear estaacuten siendo
comparativamente con otras partiacuteculas cargadas
menos utilizados en aceleradores
A pesar de lo dicho no han sido los usos meacutedicos ni
los industriales los principales responsables del especshy
tacular desarrollo de los aceleradores en los uacuteltimos
50 antildeos sobre todo al principio de la vida de esta tecshy
nologiacutea De hecho la investigacioacuten de la naturaleza
Iacutentima de la materia jugoacute el papel fundamental en
este desarrollo El disponer de partiacuteculas aceleradas a
velocidades cada vez maacutes altas siempre se entendioacute
como el camino idoacuteneo para provocar por colisioacuten
cambios -transmutaciones- en la estructura de los
nuacutecleos atoacutemicos y asiacute permitirnos analizar su constishy
tucioacuten como se glosa a continuacioacuten
La transmutacioacuten de los elementos siempre fue uno
de los suentildeos del Hombre En la Edad Media Jos
alquimistas lo intentaron reiteradamente con procedishy
mientos no del todo ortodoxos ciertamente poco
cientiacuteficos e incluso con toda frecuencia maacutegicos
como correspondiacutea a la eacutepoca Pero soacutelo el descubrishy
miento de la radiactividad natural por Henry
Becquerel 1898 pistoletazo de salida para la investigashy
cioacuten de la naturaleza iacutentima de la materia fue el
auteacutentico fundamento de la investigacioacuten de las transshy
mutaciones artificiales Sir Ernest Rutherford fue el
primero de una larga fila de investigadores que se
empentildeoacute en esta aventura De las tres radiaciones difeshy
rentes que emitiacutean los cuerpos radiactivos existentes
en la naturaleza -partiacuteculas Ea Y - las a le parecieshy
ron idoacuteneas para bombardear la materia con ellas y
laquover que pasabaraquo La esencia del experimento parece
brutal era algo asiacute como bombardear un edificio para
deducir analizando sus escombros cuaacutel habiacutea sido su
estructura Pero sus experimentos fueron exitosos
tanto que le permitieron establecer una nueva teoriacutea
sobre la constitucioacuten de la materia que substituyera a
la antigua concepcioacuten del aacutetomo indivisible
Al lanzar partiacuteculas como proyectiles sobre una delshy
gada laacutemina de material observoacute una desviacioacuten de su
trayectoria que habida cuenta de la naturaleza eleacutectrishy
ca positiva del proyectil indicaba claramente que en
la materia habiacutea laquoislotesraquo de carga eleacutectrica positiva Esto junto con el hecho constatado a diario de la
naturaleza eleacutectricamente neutra de la materia llevaba
irremediablemente a la conclusioacuten que habiacutea de haber
tanta carga negativa como la positiva contenida en los
laquoislotesraquo y seguramente girando para que su fuerza
centriacutefuga compensara la atraccioacuten que fatalmente le
precipitariacutea sobre el nuacutecleo Asiacute se le ocurrioacute para el
aacutetomo una especie de estructura planetaria que con
algunos retoques sigue siendo vaacutelida hoy diacutea
Volviendo a la transmutacioacuten hay que decir que el
propio Rutherford en uno de sus primeros experimenshy
tos dispuso una fuente de partiacuteculas a (un mineral
radiactivo natural) en el interior de un cilindro provisshy
to de una ventana con una pantalla de sulfuro de cinc
para detectar las partiacuteculas que pudieran ser creadas
por la interaccioacuten de la radiacioacuten a con los nuacutecleos
del gas de relleno el cilindro mediante los centelleos
producidos por su impacto sobre dicha pantalla
En el curso de sus experimentos introdujo sucesivashy
mente en el cilindro oxiacutegeno dioacutexido de carbono aire
seco y nitroacutegeno y despueacutes de muchas conjeturas y
averiguaciones vino a concluir que probablemente se
trataba de la siguiente reaccioacuten nuclear
JON14 + He4 -4 H + r (12)
Estas experimentaciones iniciadas en 1919 en
Inglaterra en colaboracioacuten con Chadwick quien
pocos antildeos maacutes tarde descubrioacute el neutroacuten vinieron a
ser confirmadas en 1921 en USA Era pues la primera
11
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
BrHLJOCI j FIA
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University Wiseonsin Press 1953
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Leakageraquo Heath Physlcs vol 74 ndeg 31998
( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
transmutacioacuten que el hombre conseguiacutea de forma artishy
ficial Rutherford habiacutea utilizado partiacuteculas de 8MeV
de energiacutea producidas por un cuerpo radiactivo y
naturalmente se pensaba que si la energiacutea fuera mayor
podriacutean inducirse cambios mucho maacutes violentos en
cualquier nuacutecleo es decir maacutes y mejor material de
investigacioacuten
y asiacute empezoacute la carrera de los aceleradores maacutequinas
capaces de impartir energiacutea a partiacuteculas -proyectiles-
extrayeacutendola de campos electromagneacuteticos de topoloshy
giacutea cada vez maacutes sofisticada e ingeniosa Por supuesto
los proyectiles no teniacutean que ser necesariamente partiacuteshy
culas 0 de hecho el procedimiento habitual para proshy
vocar maacutes y maacutes interacciones con los nuacutecleos atoacutemishy
cos vino a ser una reaccioacuten nuclear previa que produshy
jera una partiacutecula cargada generalmente un protoacuten
que luego seriacutea convenientemente acelerada por una
de dichas maacutequinas
Es pertinente hacer notar aquiacute que en paralelo con
estos temas cuyo principal protagonista estaba siendo
Rutherford estaba teniendo lugar el desarrollo de la
Fiacutesica a lo largo de dos nuevas liacuteneas la teoriacutea de la
Relatividad y la Mecaacutenica Cuaacutentica ambas disciplinas
ayudaron y promocionaron el trabajo iniciado por
A 2
p------------j~
lt 1c A
I
Rutherford Y aSIacute apoyaacutendose en consideraciones
cuaacutenticas G Gamow en 1928 sugirioacute -iquestlaquodemosshy
troacuteraquo- que la energiacutea de la partiacutecula incidente no era
lo uacutenico a tener en cuenta que partiacuteculas de menor
energiacutea podiacutean provocar maacutes efectivamente reacciones
nucleares y que la naturaleza del nuacutecleo blanco era
decisiva a tal efecto Todo eJlo dependiacutea de la seccioacuten
eficaz de la interaccioacuten magnitud tomada en preacutestashy
mo a la Fiacutesica Cuaacutentica Sin embargo se siguieron
concibiendo y construyendo y no totalmente sin
razoacuten aceleradores que impartieran cada vez maacutes
energiacutea Tal es el caso del famoso ciclotroacuten bautizado
por Lawrence laquoatom smasherraquo (machaca-aacutetomos)
con el que se pensaba laquofabricarraquo proyectiles que desshy
truyeran totalmente los nuacutecleos
Seguramente esta idea asentada de forma maacutes o
menos inconsciente en la mente de los cientiacuteficos fue
responsable de que el experimento de Fermi bomshy
bardeo de uranio con neutrones lentos que rompioacute el
nuacutecleo (fisioacuten) en dos fragmentos por primera vez en
la historia del mundo permaneciera sin explicacioacuten
durante tanto tiempo A los fiacutesicos de Francia Italia
Alemania Inglaterra etc ni siquiera se les pasaba
por la imaginacioacuten la posibilidad de que los elemenshy
tos quiacutemicos intermedios de la Clasificacioacuten
Perioacutedica que pareciacutean aparecer del anaacutelisis quiacutemico
del uranio laquobombardeadoraquo pudieran proceder de
que realmente este nuacutecleo pesado hubiera sido roto
por efecto de un proyectil cuya energiacutea rondaba alreshy
dedor de 002 MeV
De hecho fue en 1932 en el Laboratorio de
Rutherford donde JD Cockroft y ETS Walton
construyeron la primera maacutequina que podiacutea ceder
energiacutea a un haz de partiacuteculas cargadas aceleraacutendole
En sus experimentos los primeros de esta clase en
Fiacutesica Nuclear las partiacuteculas aceleradas eran protones
procedentes de la ionizacioacuten de hidroacutegeno que someshy
tidos a un campo eleacutectrico de alta tensioacuten se haciacutean
incidir sobre un blanco de oacutexido de litio La reaccioacuten
nuclear producida era
(13)
el tipo de reaccioacuten que tuvo lugar a 125000 voltios de
tensioacuten se identificoacute mediante una pantalla de sulfuro
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52
de cinc que produciacutea centelleos en cada impacto de un
nuacutecleo He~ (una partiacutecula) Era la primera vez en la
historia del mundo en que se provocaba una reaccioacuten
nuclear con proyectiles cuya energiacutea no era laquonaturalraquo
como en los experimentos de Rutherford que utilizaba
partiacuteculas procedentes de desintegraciones naturales
En realidad el sistema acelerador utilizado hab iacutea sido
desarrollado originalmente en 1920 por H Greinacher en Suiza y utilizado con electrones
eockroft y Walton lo adaptaron para acelerar protoshy
nes seguacuten la reaccioacuten 03) consiguiendo energiacuteas de
hasta 380 KeV aunque despueacutes con modificaciones
sucesivas llegaron a 3 MeV Baacutesicamente el sistema
consiste en N etaacutepas ideacutenticas cada una de las cuales
constaba de un condensador y un rectificador La
fuente de tensioacuten que es el secundario de un transforshy
mador T figura en la primera etapa En el primer
semiperiacuteodo de voltaje se ca rga el condensador eL
pero no el e porque lo impide el rectificador Al En
el segundo semiperiacuteodo es e quien se carga y C
carga a e 2bull Asiacute sucesivamente se va acumulando la
carga eleacutec trica y aumentando la tensioacuten en el punto P
hasta un nivel dependien te del nuacutemero N de etapas
En esta misma eacutepoca aproximadamente 1931 RJ Van de Graaff construyoacute en la Universidad norteameshy
ricana de Princeton el primer generador electrostaacuteti shy
co de alto voltaje mediante el empleo de una cinta
j J JI lmiddot 1 (1) I I
M
moacutevil transportado ra de cargas generador con el que
ac tualmente se llegan a acelerar part iacuteculas hasta los
15 MeV aunque es bien conocido el problema de las
fuertes descargas eleacutectricas que se producen Su prinshy
cipio de operacioacuten es el siguien te una correa sin fin
de material aislante va montada entre dos poleas
separadas en disposicioacuten verti ca l unos pocos metros
una de otra P Ly P2 Un motor acoplado a la inferior
la hace girar a una velocidad lineal de has ta unas
decenas de metros por segundo Existe un mecanisshy
mo junto a la polea inferior que carga eleacutectricamen te
a la correa El sistema consiste baacutesicamente en una
punta proacutexima a la cinta un campo eleacutectrico intenso
E en las proximidades de la punta ioni za el medio
(gaseoso) presente y repele a los iones de su mismo
signo eleacutectrico hacia la correa que los transporta
hacia la polea superior Una punta de anaacutelogas ca racshy
teriacutesticas situada junto a esta polea recoge dichas carshy
gas sobre un electrodo colector que recibe el nombre
de cuacutepula a cuenta de su forma esfeacuterica e cargaacutendoshy
la a un potencial crecien te seguacuten acumula las cargas
que recibe de la polea Por supu esto seguacuten crece el
potencial puede llegar a haber chispas de descarga
dependiendo de la constante dieleacutec trica del medio
ambiente Para reducir este fenoacutemeno se suelen utilishy
za r en la actualidad gases a presioacuten (neoacuten o exafluoshy
ruro de azufre) en el interior de un contenedor disshy
puesto al efecto
Asimismo unos pocos antildeos antes en 1928
R Widerroe en la Rhenish- Westphalian Technical
University de Alemania para lograr partiacuteculas cargashy
das de cada vez mayor energiacutea y mediante el empleo
de campos alternos de alto voltaje aceleroacute iones de
sodio y potasio hasta una energiacutea aproximadamente
doble de la que se obteniacutea median te la aplicacioacuten de
una tensioacuten uacutenica Este heho puede considerarse
como el principio de los denominados acele radores
lineales de resonancia o laquolinacraquo con las que se consishy
guen electrones con energiacuteas del orden de 300 MeV)
Basados en su principio Lawrence E O y Sloam
mediante el empleo de campos de alta frecuencia
produjeron iones de mercurio con energiacuteas superiores
a los 12 MeV No obstante continuando con el afaacuten
investigador Lawrence y Livingston mediante sucesishy
vas variaciones en el fund amento del recieacuten nacido
acelerador concib ieron el denominado acelerador de
resonancia magneacutetica o ciclotroacuten con los que actualshy
mente pueden acelerarse nuacutecleos hasta 8 GeV que en
1932 produjo protones de maacutes de 1 MeV
Esta maacutequina consiste baacutesicamente en una caja metaacuteshy
lica circular dividida en dos partes iguales internashy
cionalmente conocidas como las Des entre las que se
establece una diferencia de potencial alterna V que
resulta en un campo eleacutectrico E tambieacuten alterno y
perpendicular al eje de las Ds Naturalmente tal
campo es nulo en el interior de las cajas por efecto
Faraday
El sistema va colocado entre las dos piezas polares de
un electroimaacuten que crea en toda la extensioacuten de las
Ds un campo magneacutetico uniforme B perpendicular al
campo E Completa el sistema una fuente S de partiacuteshy
culas cargadas y una caja C que lo contiene en la que
se hace el vaciacuteo
Su funcionamiento es sencillo una partiacutecula cargada P creada en F o en sus proximidades seraacute acelerada
hacia por ejemplo la semicaja D si tiene polaridad
contraria en aquel momento Una vez en su interior al
ser nulo el campo eleacutectrico y no sufre aceleracioacuten adishy
cional yel campo magneacutetico B la obliga a describir
una circunferencia Si el potencial alterno se sincroniza
de modo tal que cuando salga de D sea atraiacuteda por la
D2gt sufriraacute la correspondiente aceleracioacuten Y asiacute sucesishy
vamente recorreraacute una especie de espiral (en realidad
semicircunferencias sucesivas de radio creciente) hasta
su salida por una ventana practicada al efecto -gt
La fuerza F que el campo magneacutetico ejerce sobre la
partiacutecula de carga q y masa m emitida por la fuente S
es seguacuten la electrodinaacutemica claacutesica
-gt -gt-gt F = v B q (14)
que al compensarse con la fuerza centriacutefuga
m v2
Fc=-- (15)
define la trayectoria -circunferencia de radio r y veloshy
cidad v-
mv r=-- (16)
Bq
Se comprueba faacutecilmente que la frecuencia f es indeshy
pendiente de la velocidad de la partiacutecula en proceso
de aceleracioacuten
mv Bqf=--=-- (17)
27TT 27Tm
Algunos antildeos maacutes tarde en 1940 en la Universidad
norteamericana de Illinois DW Kerst construyoacute el
primer acelerador de electrones de induccioacuten magneacuteshy
tica o betatroacuten No ocurrieron maacutes sucesos significashy
tivos sobre los procesos de aceleracioacuten hasta que en
1945 y de forma independiente VI Veksler en EM
Moscuacute y McMillan en la Universidad de Berkeley
descu brieron el principio de la estabilidad de fase
evolucioacuten natural de los ciclotrones abriendo el
cam po de los aceleradores de resonancia magneacutetica
para electrones los nuevos aceleradores fueron
denominados sincrotones
El siguiente paso tuvo lugar en 1947 cuando WW
Hansen en la Universidad de Standford California
utilizando tecnologiacutea de microondas construyoacute el prishy
mer acelerador lineal de electrones empleando ondas
transportadoras con las que actualmente y en dicha
Universidad pueden obtenerse haces de electrones de
hasta 50 GeV
iexcl IiexclIII 1 1 lrl 11 d I CW 11l11011
e
vshy
1 ~ iacute 1
Otro nuevo paso tuvo lugar en 1956 cuando DW
Kerst evidencioacute que si se mantienen dos conjuntos de
partiacuteculas en oacuterbitas interaccionables puedan obsershy
varse sucesos en los que una partiacutecula colisiona con
otra que se mueve en sentido opuesto con lo que se
originan elevadas energiacuteas de reaccioacuten pero ello a su
vez implicaba la necesidad de disponer de un gran
nuacutemero de partiacuteculas lo que obligaba a su acumulashy
cioacuten previa en lo que denominaron anillos de almaceshy
namiento recibiendo el nombre de laquocolisionadorraquo el
conjunto de acelerador y anillo de almacenamiento
En este estado de cosas los fiacutesicos de altas energiacuteas
en su creciente afaacuten por descifrar los secretos de las
partiacuteculas elementales y de sus interacciones necesitashy
ban disponer de energiacuteas cada vez maacutes elevadas hasta
del orden de 1 TeV (l06 MeVl lo que se logroacute en
1983 con la instalacioacuten de imanes superconductores
en el Fermi National Accelerator Laboratory de los
Estados Unidos de Ameacuterica (Fermilabl con los que se
espera arrojar luz entre otros apasionantes temas al
conocimiento cientiacutefico de la estructura y origen del
UDlverso
Actualmente A Sessler y S Yu de los laboratorios
nacionales de Lawrence Berkely (LBNL) y Lawrence
Livermore (LLNL) entre otros estaacuten desarrollando
para el colisionador lineal de 1 TeV del Fermilab y su
aplicacioacuten a la fiacutesica de altas energiacuteas fuentes de
radiofrecuencia de gran potencia de tipo klystron
habieacutendose llegado a obtener microondas como guiacuteas
de onda para controlar la velocidad de un haz de elecshy
trones con potencias hasta de 30 MW
Es pertinente mencionar en este punto que en el
Fermilab la instalacioacuten estaacute formada por un acelerashy
dor del tipo Cockroft-Walton como productor de
iones negativos formados por aacutetomos de hidroacutegeno
con un protoacuten y dos electrones Estos iones son aceshy
lerados mediante un campo eleacutectrico e inyectados
en un acelerador lineal llegando mediante campos
eleacutectricos oscilantes hasta los 400 MeV momento en
el que a traveacutes de una laacutemina de carboacuten para laquolimshy
piarraquo el haz de electrones son extraiacutedos los protones
para su incorporacioacuten a un acelerador circular del
tipo sincrotroacuten en el que alcanzan los 8 GeV Este
proceso se repite en el sincrotoacuten una docena de
veces con lo que se obtienen doce laquopaquetesraquo de
protones que inyectados en el anillo principal de
otro sincrotroacuten llegan a adquirir 150 Gev En este
estadio pasan al anillo de otro sincrotroacuten denominashy
do Teratroacuten situado debajo del anterior donde
mediante bobinas superconductoras trabajando a la
temperatura del helio liacutequido los protones se aproxishy
man a 1 TeV siendo extraiacutedos hacia los blancos preshy
parados para la experiencia a realizar Algunos expeshy
rimentos se llevan a cabo por colisioacuten de un haz de
protones con otro de antiprotones que han sido proshy
ducidos acelerando protones en el anillo principal
hasta los 120 GeV para una vez extraiacutedos lanzarlos
contra un blanco con la consiguiente produccioacuten de
partiacuteculas secundarias entre las que hay antiprotones
que tras ser transportados y sufrir una reduccioacuten de
volumen mediante el proceso denominado de laquoenfriashy
miento estocaacutesticoraquo se enviacutean a un anillo de almaceshy
namiento Una vez se dispone en este anillo de la
suficiente cantidad de ellos se hacen pasar al anillo
inferior o Teratroacuten para ser acelerados conjuntamenshy
te pero en sentido inverso con el haz de protones
hasta energiacuteas muy proacuteximas a 1 TeV y asiacute poder
estudiar los impactos frontales
3 Ipl wlc loncs tvl eacutediexclr ilS I Il(J II~ i l lJ l c y DOC Cl li p -
Volviendo la vista hacia energiacuteas maacutes laquohumildesraquo del
orden de unas pocas decenas de MeV se encuentran
aplicaciones en la industria entre las que cabe destacar
la radiografiacutea industrial la esterilizacioacuten de materiales
bioloacutegicos la irradiacioacuten de alimentos aunque en este
entorno sea maacutes competitivo el uso de radiacioacuten elecshy
tromagneacutetica procedente de fuentes encapsuladas
esterilizacioacuten de material meacutedico y quiruacutergico polimeshy
rizacioacuten de plaacutesticos empleados en aislamientos teacutermishy
cos y acuacutesticos asiacute como en el recubrimiento de
cables eleacutectricos plaacutesticos resistentes al calor empleashy
dos en cocinar alimentos en horno convencional
recubrimiento de cintas de viacutedeo de sonido y para evishy
tar su degradacioacuten por temperatura tratamiento de
tejidos tratamiento de aguas residuales para reducir
los agentes patoacutegenos datacioacuten por carbono tratashy
miento de gomas empleadas en los neumaacuteticos de
(1
111r I 1 1 I r l Iii l 11 11 tI rI middotIu l ill iexcl I e l II ) IIJIltV
automoacutevil ete aplicaciones todas ellas de haces de
electrones y finalmente aunque tambieacuten muy imporshy
tante el empleo de ciclotrones en la produccioacuten y siacutenshytesis de determinados radiofaacutermacos de los cuales
actualmente hay dos del tipo PET (Positron Emission
Tomography) en nuestro paiacutes uno en Pamplona en la
Universidad de Navarra y otro en la Universidad
Complutense
Los betatrones aceleradores de electrones suelen
usarse tambieacuten en el campo industrial y meacutedico para
la obtencioacuten de Rayos X muy energeacuteticos aunque en
las aplicaciones cliacutenicas ya pueden ser considerados
como historia
En el campo meacutedico hay que remontarse en la histoshy
ria de la medicina a 1825 cuando Fv Raspail expreshy
soacute que toda ceacutelula procede de otra abriendo el camishy
no para que en 1852 las investigaciones del alemaacuten
R Remak (1815-1865) neuroanatomista yembrioacuteloshy
go fueran de las primeras en establecer que la divishy
sioacuten celular era la causante de la formacioacuten de tejishy
dos yen el mismo antildeo constatoacute la aportacioacuten de nueshy
vas ceacutelulas procedentes tanto de tejidos enfermos
como de sanos
En este estado de cosas cuando y con el descubrishy
miento de la radiactividad natural y del radio en la
uacuteltima deacutecada del siglo XIX empezaron a usarse las
radiaciones ionizan tes en el tratamiento del caacutencer
asimilando eacuteste a una proliferacioacuten continua de ceacutelushy
las anormales que invaden otros tejidos y el radio
toma papel de protagonista en el campo de la terashy
pia Comenzoacute entonces el incremento de energiacutea en
los equipos generadores de Rayos X con los que se llegaba en la deacutecada de los 50 mediante la denomishy
nada laquoradioterapia profundaraquo consistente en haces
de 250 KV a localizaciones inaccesibles con laquoagujasraquo
de radio No obstante este tipo de radioterapia frashycasaba cuando la localizacioacuten de la masa tumoral
imponiacutea una fuerte atenuacioacuten en el haz de radiacioacuten
incidente en su camino para llegar al blanco Esta barrera vino a remediarse a comienzos de la citada
deacutecada con las primeras unidades de Co-60 situando
la energiacutea media efectiva en 125 MeV lo que permishy
te solventar parte de los problemas anteriormente presentados comenzando a destacar los caacutelculos de
cesioacuten de energiacutea y las curvas de isodosis con la finashy
lidad de optimizar la deseada cesioacuten de energiacutea en el volumen blanco No obstante se presentaban formas
y tipos de neoplasias cuyo tratamiento presentaba
mejores resultados con la aplicacioacuten de radiacioacuten beta o electromagneacutetica de mayor energiacutea lo que da
lugar a la aplicacioacuten de los aceleradores en el campo
meacutedico en la deacutecada de los antildeos 60 Se ha llegado con los actuales aceleradores a alcanzar mayores
profundidades gracias a la produccioacuten de Rayos X
en el intervalo (4 MV - 18 MV) asiacute como de electroshy
nes entre 5MeV y 20 MeV capaces de entregar tasas de dosis entre 50 cGymin y 300 cGymin 1 para
determinados tamantildeos de campo distancia blancoshy
superficie y profundidad donde ocurre la maacutexima
transferencia de energiacutea El maacutes reciente de los sisteshy
mas (1997) de acelerador existente en un hospital infantil de los Estados Unidos mediante tecnologiacutea
de estado soacutelido consigue obtener Rayos X de hasta
25 MV y haces de electrones de 6 MeV a 21 MeV
entregando en determinadas condiciones tasas de 50
cGymin a 500 cGymin para radiacioacuten electromagshy
neacutetica y de 300 a 900 cGymin para haces de elecshy
trones
Esta situacioacuten ha supuesto una progresiva colaboshy
racioacuten entre el meacutedico responsable del tratamienshy
to de la enfermedad y aquellas personas que con
los medios que la ciencia pone a su alcance calcushy
lan de forma cada vez maacutes precisa la cantidad de
energiacutea o laquodosisraquo en el vol umen blanco que el
meacutedico ha estudiado para combatir determinados
tipos y estadios de tumor dosis impartida medianshy
te teacutecnicas de campos uacutenicos mixtos cruzados o
por la combinacioacuten con procesos radioquiruacutergicos
que se considere adecuada en cada caso y que a su
vez menos efectos deterministas de deterioro pueshy
dan producir en tejidos sanos El conjunto de
-- 1 I
dichos procesos para la delimitacioacuten de blancos y
cesioacuten escalonada de energiacutea se encuentra en conshy
tinuo desarrollo y bien lejos aunque los principios
fiacutesicos sean los mismos de los que se podiacutean llevar
a cabo hace aproximadamente una treintena de
antildeos
Durante todo este tiempo la atencioacuten de los organisshy
mos de vigilancia en nuestro caso el Consejo de
Seguridad Nuclear se ha enfocado preferentemente
a la normalizacioacuten de las praacutecticas de proteccioacuten frenshy
te a la radiacioacuten con el desarrollo consiguiente a nivel
nacional e internacional de las guiacuteas correspondientes
Desde el princiopio OlEA proporcionoacute directivas y
apoyo regulador en los servicios de proteccioacuten radioshy
loacutegica operacional asiacute en 1965 editoacute el Sajey SerteJ nO
13 titulado laquoProvision of Radiological Protection
Servicesraquo coacutedigo de laquobuenas praacutecticasraquo que incluye la
vigilancia fiacutesica y meacutedica
A partir de entonces hubo una actividad notable a
nivel mundial en este campo Seguramente las publishy
caciones maacutes representativas sean la nO 26 y siguientes
de ICRP (I997) Y el BaslcSajety Standa rds jor Radiation Protectioll (I982) publicado en colaborashy
cioacuten por OlEA la Organizacioacuten Internacional del
Trabajo la Organizacioacuten Mundial de la Salud y la
NEA (OECD) Posteriormente y como consecuencia
de la gran atencioacuten prestada a este tema hay que citar
la Sajety Series nO 101 laquoOperational Radiation
Protection A Guide to Optimizationraquo que entre sus
colaboradores de mayor renombre ha contado con la
USNRC y con la NRPB del Reino Unido
A un nivel maacutes teacutecnico aunque auacuten en este entorno
seguramente merece la pena destacar las nuevas exigenshy
cias derivadas de la aparicioacuten en escena de los acelerashy
dores multi-haz la variedad de partiacuteculas creciente con
la energiacutea del acelerador en las proximidades del haz
primario y la aplicacioacuten del meacutetodo de Monte Carla
magniacutefica herramienta para la evaluacioacuten de blindajes y
protecciones sin cuya existencia el problema analiacutetico
en estas geometriacuteas seriacutea punto menos que intratable
Como resumen de las aplicaciones biomeacutedicas de las
partiacuteculas aceleradas se incluye el siguiente cuadro
que resume de forma indicativa intervalos energeacuteticos
aplicaciones y partiacuteculas utilizadas
Pa ltiacutec lllilS IlI tPIVa lo Ellergeacutetieo
Iones pesados 70-700MeVnuacutecleo
Deuterones 7-20MeV
5-20MeV
Protones 2 - lOMeV
Decenas de MeVs
De unos MeVs - 250MeVs
500 MeV - 700MeV
10 MeV - 100MeV
Electrones 6MeV-25MeV
2MeV-lOMeV
Cientos de MeVs-varios
GeV
Todo lo expuesto en la aplicacioacuten de los aceleradores
para tratamiento de diversas neoplasias no es maacutes que
la cesioacuten de energiacutea a la materia para producir la desshy
truccioacuten de las ceacutelulas malignizadas limitando al maacutexishy
mo el dantildeo que pueda provocarse en tejidos sanos Asiacute
se ha ido pasando del radio a los Rayos X Co-60 y
aceleradores todos ellos caracterizados por laquollegarraquo
con los haces de partiacuteculas generados a la mayor proshy
fundidad con la mejor calidad de haz posible Es sin
embargo evidente que hay que seguir trabajando en
laquoestarraquo en el volumen blanco cosa que ya hace en
determinados tipos de neoplasias la medicina nuclear y
la braquiterapia pero que auacuten no es bastante pues lo
verdaderamente interesante en el mundo interdisciplishy
nar en que se mueve el uso meacutedico de las radiaciones
ionizantes es lograr de la forma menos agresiva posishy
ble ceder la mayor cantidad de energiacutea en el menor
espacio posible de lo que se desprende que laquollegarraquo
con la radiacioacuten electromagneacutetica resulta un tanto
laquoprimitivoraquo siendo maacutes elaborado fiacutesicamente
hablando implantar generadores de partiacuteculas de gran
transferencia lineal de energiacutea en el propio blanco
Este proceso tiene un antecedente en el tratamiento de
tumores cerebrales en los que se hacen llegar determishy
nados compuestos de boro a las zonas tumorales que
son sometidas despueacutes a la accioacuten de neutrones teacutermishy
cos con la consiguiente emisioacuten de partiacuteculas alfa y
Ap licilCioacutelI
Radioterapia experimental
Produccioacuten de radioisotopos
Meacutetodos analiacuteticos
Meacutetodos analiacuteticos
Produccioacuten de neutrones para radioterapia
Radioterapia
Produccioacuten de menores en para radioterapia
Produccioacuten de radioisoacutetopo
Radioterapia con electrones y conservacioacuten
de alimentos y radioesterilacioacuten
Produccioacuten de radiaccioacuten-sincrotroacuten para
angiografiacutea
24
nuacutecleos de litio de elevada transferencia lineal de enershy
giacutea y por lo tanto poco alcance produciendo la desshy
truccioacuten de ceacutelulas tumorales sin praacutecticamente afectar
tejidos vecinos Actualmente la inquietud cientiacutefica
parece que sentildeala el camino preferente de poder laquolleshy
varraquo determinados isoacutetopos emisores beta y alfa funshy
damentalmente a los conjuntos de ceacutelulas cancerosas
para que de forma totalmente local provoquen su
destruccioacuten cliacutenica tarea que dado el aspecto multidisshy
ciplinario antes comentado necesita de la colaboracioacuten
r iexclguo e lce l loI rl ( lI CO 1(11 WIIQrI ue bOO iexcl((ili dc la Jfll
t I middot 1 IL 1 I ~ L 11
de meacutedicos bioacutelogos fiacutesicos quiacutemicos e informaacuteticos
para dar respuesta al esquema loacutegico de queacute hacer
doacutende caracteriacutesticas de la zona tumoral vectores de
traslacioacuten teacutecnicas de fijacioacuten con el inmenso y maravishy
lloso reto de la problemaacutetica de individualizacioacuten celushy
lar que ello supone y energiacutea necesaria y depositada
A modo de colofoacuten parece pertinente informar que en
Espantildea en la actualidad hay 83 aceleradores en funshy
cionamiento todos ellos con la debida autorizacioacuten
del CSN En la antigua Junta de Energiacutea Nuclear se
instalaron tres en la deacutecada de los 50 uno de ellos de
tipo Van de Graaff todaviacutea en uso en el CIEMAT en
un programa de investigacioacuten de materiales en
Tecnologiacutea de la Fusioacuten y otros dos de 150Kw y
600 Kw respectivamente construidos en la propia
JEN y ya desmantelados del tipo Cocroft-Walton
Los restantes aceleradores existentes en Espantildea son
74 para usos meacutedicos 7 para usos industriales y uno
maacutes de tipo Van de Graaff para docencia e investigashy
cioacuten instalado en el Parque Tecnoloacutegico de la Cartuja
Todos ellos fueron instalados en la deacutecada de los 90
con un maacuteximo de 20 en el antildeo 1995 nuacutemero que
en la actualidad parece haberse estabilizado en la
decena Esta tendencia ciertamente va a continuar
en los proacuteximos antildeos con su cohorte de problemas
de proteccioacuten radioloacutegica asociados El tomar
conciencia de ello es la razoacuten fundamental de que el
CSN haya decidido publicar esta monografiacutea que
como ya se ha mencionado iraacute seguida de un segunshy
do volumen para dar contenido a los grandes aceleshy
radores
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( l middot I 1 ) ( I 1 1) 1 (1 1 1 I 1 I l I I 1 J V I I l 1 ( I ( ) 11
Ciexcl Iiexcluacuteiexcl ud 1ilrlIfo lfl 1 Id d 1 I 2
1 I nlrocl ll c c loacutel l
En 1932 a la vez que se descubriacutea el neutroacuten
Cockcroft y Walton en Cambridge y Lawrence y
Livingstone en Berkeley disentildearon construyeron y
operaron independientemen te aceleradores de partiacuteshy
culas para investigar la estructura nuclear Estos aceshy
leradores denominados laquode voltaje continuoraquo son
quizaacutes el meacutetodo maacutes obvio de acelerar partiacuteculas
cargadas La principal dificultad que plantean conshy
siste en mantener un potencial eleacutectrico continuo
que sea estable (libre del rizado de los potenciales
alternos o de las sobretensiones transitorias que
pueden aparecer durante la ruptura dieleacutectrica de
aislan tes)
El generador electrostaacutetico de banda cargada
deriva de un trabajo de Van de Graaff quien en
1931 anuncia haber conseguido un potencial estashy
ble de 15 MV aproximadamente En 1936 Van
de Graaff y sus colegas en el Massachusetts
Institute of Technology (MIT) habiacutean ya disentildeado
y construido con eacutexito generadores para uso expeshy
rimental que estuvieron en operacioacuten durante
muchos antildeos con un potencial de 275 MV Es en
este tipo de acelerador en el que se centraraacute
exclusivamente este capiacutetulo La principal dificulshy
tad en la operacioacuten de estos generadores de alto
voltaje reside en la inestabilidad del voltaje en su
terminal de carga debido al efecto corona (corona
discharge) o a chispazos (sparking) Este probleshy
ma fue mitigado colocando el generador en un
recipiente presurizado innovacioacuten debida a Van
Atta en 1932 Aunque fueron disentildeados inicialshy
mente para experimentos de fiacutesica nuclear hoy
diacutea han entrado en un campo interdisciplinar de
aplicaciones debido a su relativo bajo coste y
facilidad de instalacioacuten y mantenimiento Estas
aplicaciones comprenden la fiacutesica baacutesica la bioshy
logiacutea la medicina la arqueologiacutea la ciencia de
materiales datacioacuten de muestras etc
En la actualidad son tres los fabricantes de aceleradoshy
res Van de Graaff High Voltage Engineering Europa
National Electrostatics Corporation (Pelletron) y
Vivirad (Vivitron)
) I li rliiiexclJIO dc (lllcrelei() I iexclI I 1111 wrlrII tnj VlI df C(idfl
En principio el meacutetodo maacutes simple para acelerar parshy
tiacuteculas o iones consiste en inyectarlos en una regioacuten en
la que se mantiene una diferencia de potencial elecshy
trostaacutetico Este potencial se puede conseguir mediante
la rectificacioacuten de corrientes alternas o mediante el
transporte mecaacutenico de cargas eleacutectricas desde un
potencial a tierra hasta un terminal de alta tensioacuten
El principio de operacioacuten del generador Van de
Graaff se muestra en la Figura 1 Una banda transshy
portadora sin fin compuesta de un material aislante
se monta entre dos cilindros alejados varios metros
entre siacute Uno de ellos actuacutea como motor y se comshy
porta como una polea transmisora de movimiento
A esta polea se le suele denominar laquopolea inferiorraquo
(a bajo voltaje) y a la otra laquopolea superiorraquo (termishy
nal de alto voltaje) La banda se mueve a una velocishy
dad lineal constante de hasta varias decenas de
metros por segundo El voltaje producido es V =Q C
donde Q es la carga acumulada y C la capacidad del
electrodo
La polea inferior cuenta con un dispositivo para carshy
gar eleacutectricamente la banda transportadora Este conshy
siste en una serie de agujas que actuacutean como emisores
Bajo el efecto de un fuerte campo eleacutectrico generado
(1111 ) j rt li(lfI middotl iexclj 1 111 1111 11 (
11 1111111 iexclflt 11 1 1 d riexclltfll V 11 (le ( foliexclf(
Terminal de alto voltaje
Polea superior
_L~-----+Hlt Banda de transporte
Electrodo colector Tanque de
presioacuten
Polea Fuente impulsora
de carga Emisor de carga
J O ( ()
en las agujas se generan iones negativos y positivos en
el medio gaseoso que rodea las agujas (efecto corona
de campos eleacutectricos en puntas) Si por ejemplo se
establece una diferencia de potencial entre esas agujas
(positivo) y la polea inferior (negativo) las agujas
repelen los iones positivos que se depositan en la
superficie aislante de la banda Estas cargas se distri shy
buyen casi uniformemente sobre la superficie de la
banda y son transportadas mecaacutenicamente hacia la
otra polea que queda asiacute cargada positivamente con
la polaridad definida aquiacute mediante el dispositivo que
se describe a continuacioacuten
En el electrodo superior (terminal de alto voltaje o
electrodo colector) existe otro conjunto de agujas que
tienen por misioacuten recoger las cargas positivas de la
superficie de la banda transportaacutendolas hacia la
superficie del terminal de alto voltaje que de esta
forma adquiere un potencial creciente Las cargas son
recogidas por el electrodo colector y depositadas en la
terminal de alto voltaje por medio de otra ruptura de
efecto corona que se produce por el campo eleacutectrico
que se establece por las propias cargas superficiales en
una zona que de otra forma estariacutea libre de campo
La maacutexima corriente que puede transportar un Van
de Graaff depende de la densidad maacutexima de cargas
que se pueden depositar en la banda transportadora
Para una banda que se mueva en aire a la presioacuten
atmosfeacuterica la maacutexima densidad teoacuterica es de
265x19 9 Ascmmiddot2 aunque en la praacutectica soacutelo se alcanshy
za el 50 oacute el 60 de este valor
El electrodo de alto voltaje de un Van de Graaff no se
puede cargar hasta un potencial arbitrario Para aceleshy
radores que trabajen en aire se pueden producir desshy
cargas corona entre el electrodo y las paredes del recishy
piente donde esteacute alojado a partir de cierto voltaje
(rupturas eleacutectricas) Tambieacuten pueden producirse desshy
cargas a lo largo de la misma banda transportadora
Debido a esta posibilidad las partes estructurales se
fabrican de materiales que puedan soportar gran canshy
tidad de rupturas sin ser dantildeados Los generadores
que trabajan en aire tan soacutelo tienen hoy un intereacutes hisshy
toacuterico pues a sus grandes dimensiones uniacutean el hecho
de que los aumentos de humedad relativa provocaban
descargas eleacutectricas La solucioacuten a estos problemas
consiste en encerrar los generadores Van de Graaff en
tanques presurizados En el interior del llamado laquotanshy
que de presioacutenraquo hay gas comprimido (por ejemplo
SF6 o una mezcla de N2+ COJ a presiones de hasta
decenas de atmoacutesferas que actuacutea como aislante En
este rango de presioacuten la fuerza dieleacutectrica del gas es
aproximadamente proporcional a su presioacuten Su uso
permite aumentar apreciablemente la tensioacuten de opeshy
racioacuten para un tamantildeo de acelerador dado y tambieacuten
se consigue aumentar la corriente que circula en su
interior
Upa mejora muy utilizada dentro de los generadores
tipo Van de Graaff son los sistemas laquopelletronraquo desashy
rrollados por la compantildeiacutea norteamericana NEC
(National Electrostatics Corporation) En ellos se susshy
tituye la banda transportadora convencional (caucho
algodoacuten seda engomada) por una cadena formada
por pequentildeos cilindros metaacutelicos unidos entre siacute por
piezas de plaacutestico (se alternan asiacute componentes aisshy
lantes y conductores) Con este sistema se produce
un transporte maacutes uniforme de carga y una mejor
estabilidad del voltaje Ademaacutes se evita la producshy
cioacuten de polvo por las bandas de goma Estas cadenas
soportan maacutes de 40000 horas de operacioacuten Las banshy
das convencionales no tienen una vida mayor de
varios miles de horas lo que implica interrumpir la
operacioacuten del acelerador para sustituciones con relashy
tiva frecuencia
Estos generadores constituyen el grupo maacutes numeroshy
so de todos los aceleradores de alto voltaje Entre sus
caracteriacutesticas baacutesicas podemos enumerar las siguienshy
tes
bull Operan en modo continuo y por tanto la cOlTienshy
te instantaacutenea es igual a la corriente promedio La
operacioacuten pulsada tambieacuten es posible La estabilishy
dad del voltaje producido es del orden del 01
bull Las partiacuteculas aceleradas tienen una gran uniformishy
dad de energiacutea Con circuitos estabilizadores es
posible alcanzar estabilizaciones energeacuteticas no
peores que plusmn 1 keV Pueden acelerar partiacuteculas de
varias cargas Ademaacutes son faacuteciles de operar y de
coste relativamente bajo
bull Como contrapartida producen una baja densidad
de corriente (rango de fLA)
l ( n iexclrl(lllgt V II c( ( 1 IiexclJI iexcltllili (iexclII)I
(1 ni h JIIII )
Los Van de Graaff de etapa simple han sido construishy
dos para tensiones de terminal de hasta 10 MV aproshy
ximadamente El tamantildeo y coste de la maacutequina se
increenta muy raacutepidamen te con el voltaje maacuteximo y es
por lo tanto muy deseable siempre que sea posible
utilizar un potencial dado V para acelerar partiacuteculas
hasta energiacuteas de T = nVe donde ngt1 Una sugerenshy
cia obvia consistiriacutea en producir iones muacuteltiplemente
cargados eliminando dos o maacutes electrones del helio y
otros aacutetomos pesados Sin embargo un meacutetodo maacutes
elegante que tambieacuten es aplicable a isoacutetopos de
hidroacutegeno consiste en producir en primer lugar iones
negativos a potencial cero A continuacioacuten se aceleran
en el tubo de vaciacuteo hasta el terminal positivo donde
se eliminan electrones para acelerarlos finalmente
hacia el blanco conectado a tierra Los principios de
operacioacuten multi etapa por medio de la variacioacuten de
carga fueron desarrollados en los antildeos 30 por el cienshy
tiacutefico norteamericano Dempsten y por los alemanes
Gerthsen y Peter
bull 1 I IIIIIIIII I rlr llI Jildl itiacuteliexcl
La Figura 2 ilustra el principio de operacioacuten de un
acelerador de dos etapas conocido comuacutenmente
como un laquotaacutendemraquo Un haz de iones positivos se proshy
duce en una fuente exterior al acelerador El terminal
estaacute localizado en el centro del tubo de aceleracioacuten
El haz pasa a traveacutes de un canal en el que se alimenta
gas a baja presioacuten la interaccioacuten de los iones con este
gas produce iones negativos por la incorporacioacuten de
electrones a los iones inicialmente positivos la carga
media se incrementa con el voltaje y por ejemplo es
aproximadamente 2 5 a una tensioacuten de 2 MV El haz
de iones negativos se dirige a continuacioacuten hacia un
analizador magneacutetico que selecciona los iones con
una razoacuten especiacutefica q m Los iones son entonces
inyectados en la caacutemara aceleradora cuya seccioacuten inishy
cial estaacute a tierra El electrodo de alto voltaje que estaacute
conectado al otro lado de la caacutemara suele estar a
potencial positivo (por ejemplo del orden de varios
MV) Los iones se aceleran hasta una energiacutea corresshy
+--- Fuente de iones positivos
f--- Haz de iones positivos
Ir--- Canal de adicioacuten de electrones
Imaacuten ana lizador
11---+-- Haz de iones negativos
1----+-- Canal de Stripping It--t-- Terminal intermedia positiva
Banda cargada
Il---+-- Haz de iones positivos
Imaacuten deflector de 90middot
Blanco
I~(~ iexclII[I(IJIII UII I ~ I(Jll iexclle 1111
dr -11(1 middot) I Jodl 111 Vdl I r ti 11 I
pondiente a este valor de potencial y al pasar por un
canal denominado en la literatura de laquostrippingraquo
(despojamiento -de carga-) situado en el terminal
intermedio del acelerador pierden electrones y se
transforman en iones positivos Este meacutetodo se conoshy
ce como laquos tripping de cargaraquo El elemento que proshy
voca la peacuterdida de carga -el stripper- es bien una
laacutemina delgada de metal o de carbono (para tensiones
superiores a 10 MV) o bien un gas Tras la convershy
sioacuten en iones positivos el haz se acelera nuevamente
hasta una energiacutea correspondiente al potencial del
terminal de alto voltaje El final del canal de acelerashy
cioacuten es taacute tambieacuten a potencial cero Por tanto el volshy
taje de la terminal intermedia V se utiliza dos veces
para impartir el doble de energiacutea a las partiacuteculas Tras
abandonar el acelerador (Fig 2) el haz es redirigido
hacia los analizadores electromagneacuteticos pues coexisshy
ten en el haz partiacuteculas con varios estados de carga
por lo que se deben eliminar del haz los estados no
requeridos Tras esta uacuteltima etapa el haz incide en el
blanco
Los aceleradores taacutendem Van de Graaff presentan
tambieacuten algunas limitaciones como por ejemplo
bull La intensidad del haz es mucho menor para iones
negativos que para positivos y variacutea ampliamente
seguacuten el elemento acelerado
bull Tras el stripping de carga la intensidad de haz se
compone de varios estados de carga (no todos los
iones acelerados pierden el mismo nuacutemero de carshy
gas)
bull La focalizacioacuten del haz es mucho maacutes delicada
que con un acelerador de etapa simple
Para resumir los aspectos maacutes destacados podemos
enumerar las etapas de aceleracioacuten en un taacutendem Van
de Graaff de la siguiente forma
1 Los iones positivos se producen en la fuente de
iones y son preacelerados hasta 50 keV aproximashy
damente
2 Al pasar por un gas que antildeade electrones el 1
de los iones positivos se transforman en negativos
capturando dos electrones
3 Los iones negativos se defIectan en el analizador
magneacutetico y son introducidos en la primera etapa
del acelerador
4 Como iones negativos son atraiacutedos hacia la tershy
minal intermedia a potencial positivo y ganan una
energiacutea de V electronvoltios
5 En dicho terminal pasan a traveacutes del laquostripper
de cargaraquo A estas velocidades praacutecticamente
todos los iones emergentes del stripper habraacuten
perdido gran parte de sus electrones
6 Al estar los iones cargados positivamente de
nuevo ganaraacuten otra cantidad de energiacutea corresshy
pondiente al potencial del electrodo de alto voltaje
V al pasar desde la terminal hasta el tubo acelerashy
dor de la segunda etapa a potencial cero
7 Para aacutetomos maacutes pesados que el hidroacutegeno se
puede arrancar maacutes de un electroacuten en el stripper
por ello si la carga de los iones emergentes del
stripper es +ne la energiacutea total de cada ion que
alcanzan la salida del acelerador es (1 +n) VeV adeshy
maacutes de la pequentildea energiacutea que poseiacutean al ser inyecshy
tados Por ejemplo en un taacutendem de 10 MV en la
terminal los iones de oxiacutegeno se pueden liberar de
hasta 7 de sus 8 electrones ya la energiacutea total adquishy
rida en el acelerador seraacute de 80 Me V Los iones de
hidroacutegeno ganaraacuten 20 MeV en la misma maacutequina
1 I
Los componentes baacutesicos de un acelerador Van de
Graaff se muestran en la Figura 3 Ademaacutes del tanque
de presioacuten que contiene el dispositivo acelerador que
ha sido ya descrito podemos considerar baacutesicamente
los siguientes
bull Fuente de iones
bull Sistema de bombas de presioacuten para el tanque y de
vaciacuteo para las liacuteneas de haz
bull Seleccioacuten y control del haz
bull Caacutemara de blancos
bull Sistema de medicioacuten de corriente de haz
bull Sistemas de deteccioacuten de radiacioacuten
t bull I I I I I I ~ I I f I 1 ~ 1 I J 11
l middot I 1 11 II
Fuente de iones
Primer tubo acelerador Fuente de iones
Haz de iones negativos --+---101
Terminal positivo de alto voltaje
Supresor de carga negativa
Haz de iones positivos
Segundo tubo acelerador
S istema de carga
Tanque de presioacuten~ (NCO oacute SFol
--- Lentes eleclromagneacuteticas ----1
(Liacutenea de haz hacia la zona de medida)
A continuacioacuten ofrecemos una breve descripcioacuten de
algunos de estos componentes
Su propoacutesito consiste en producir un haz de partiacutecushy
las libres y en segundo lugar conducirlas hacia el
dispositivo de aceleracioacuten Usualmente la fuente
tiene tambieacuten la funcioacuten adicional de pre-acelerar el
haz hasta una energiacutea aproximada de varias decenas
de kV
Los Van de Graaff de etapa simple utilizan una fuente
de iones positivos que estaacute dentro de la terminal de
alto voltaje Esto hace complicado y difiacutecil las operashy
ciones de mantenimiento y explica la necesidad de
fuentes duraderas de iones En los aceleradores tipo
taacutendem la fuente es externa a potencial cero y sumishy
nistra iones negativos
Las intensidades requeridas pueden oscilar entre
10lQ A hasta 10 A siendo muy utilizadas intensidades
del orden del nanoamperio Se utilizan muchos tipos
de haces de partiacuteculas y de diferentes intensidades y
por ello no existe una uacutenica fuente que satisfaga todas
las necesidades Seguacuten el tipo de anaacutelisis se utilizan
pues distintos tipos de fuentes
El funcionamiento de las fuentes de iones se basa en
diversos procesos
bull Descarga eleacutectrica o impacto de electrones en un
gas o vapor
bull Ionizacioacuten superficial de un metal o semiconducshy
tor con un haz de partiacuteculas energeacuteticas
bull Efecto Langmuir Se produce si la energiacutea de ionishy
zacioacuten de un aacutetomo en la superficie caliente de un
metal es mayor que la funcioacuten trabajo del metal
En esta situacioacuten los aacutetomos se pueden evaporar
en forma de ioacuten positivo
bull Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Ionizacioacuten de gases y vapores de elementos con
radiacioacuten electromagneacutetica de pequentildea longitud
de onda (UV o Rayos X)
bull Ionizacioacuten por colisioacuten en caacutemaras de plasmas (duoplasmatron)
bull Ionizacioacuten por campos de radiofrecuencia (un
campo de RF crea un plasma en una caacutemara las
especies ioacutenicas presentes se separan mediante un
campo eleacutectrico)
Para aceleradores de alta energiacutea (mayor que
200 keV) se utilizan ampliamente los dos uacuteltimos proshy
cesos mencionados por ello podemos decir que las
fuentes maacutes usuales son las de radiofrecuencia yel
laquoduoplasmatronlaquo Una descripcioacuten maacutes detallada de
estas fuentes se puede consultar en Bird y Williams
1989[1] Scharf 1986[3] y Wilson y Brewer 1973 [14]
Ambas producen predominantemente iones positivos
yel haz que se extrae de ellas contiene normalmente
una mezcla de diferentes especies atoacutemicas y molecu shy
lares con diferente estado de carga Por ejemplo un haz de hidroacutegeno podriacutea contener H+ H
2+ H+
Un haz de nitroacutegeno N+ N N2+ Los iones positivos
se convierten en negativos hacieacutendolos pasar a traveacutes
de un intercambiador de carga de vapor de litio (u
otro vapor de metales alcalinos)
Las fuentes de sputtering proporcionan un medio de
obtener haces a partir de pequentildeas cantidades de
material soacutelido Un haz de gas inerte (Ne Al Kr) o un
metal alcalino (es) se utilizan para laquoextraerraquo una
muestra soacutelida del elemento cuyo haz se requiere Se
obtienen iones secundarios en estado de carga positishy
vo o negativo que se pueden focaliacutezar y analizar seguacuten
su masa
Una vez que los iones han sido extraiacutedos del acelerashy
dor la especie ioacutenica a emplear y con el estado de
carga requerido ha de ser separada de otros composhy
nentes no deseados del haz Ademaacutes el haz puede
requerir focali zacioacuten yo colimacioacuten angular para disshy
poner de un tamantildeo bien definido Los haces de alta
energiacutea (mayor que 200 keV) requieren normalmente
varios componentes en la liacutenea de haz entre la fuente
de iones y la caacutemara de blancos Las aplicaciones de
baja energiacutea (menor que 30 keV) requieren composhy
nentes de dimensiones mucho maacutes reducidas siendo
los manipuladores del haz y la oacuteptica electroacutenica utilishy
zada maacutes simple tambieacuten El sistema completo (aceleshy
rador analizador de haz y detectores) estaacute normalshy
mente integrado en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo de
tamantildeo comparable a un microscopio electroacutenico
Un ion se mueve en una oacuterbita circular al estar sujeto
a un campo magneacutetico o eleacutectrico y el radio de giro
depende de su masa M carga eleacutectrica q y la energiacutea
cineacutetica T del ion El radio de curvatura R para un
campo magneacutetico B estaacute dado por la expresioacuten (1)
R = (2MT) (21)
qB
Para un campo eleacutectrico E el radio estaacute dado por la
expresioacuten (2)
R= 2T (22) qE
Si los puntos de entrada y salida estaacuten definidos por
rendijas o aperturas soacutelo los iones con un valor espeshyciacutefico de la relacioacuten (2MT q2) pasaraacuten a traveacutes de un
campo magneacutetico y en el caso electrostaacutetico (2Tq)
es el valor determinante Por tanto podemos decir
que la defleccioacuten magneacutetica es selectiva respecto a la
masa para energiacutea y estado de carga constantes mienshy
tras que la defleccioacuten electrostaacutetica es selectiva respecshy
to a la energiacutea y el estado de carga
Una descripcioacuten maacutes detallada se puede consultar en
Bird y Williams 1989[1] y Scharf 1986[13]
(1 1
Normalmente se utiliza un selector de velocidades tras
la fuente de iones y antes de la etapa de aceleracioacuten
El dispositivo es un filtro de Wien que incorpora un
campo eleacutectrico y magneacutetico en aacutengulo recto Los
campos estaacuten ajustados de forma que la componente
deseada del haz pase con defleccioacuten neta cero Otras
componentes son deflectadas de la trayectoria princishy
pal La ecuacioacuten para defleccioacuten cero es
(23 )
Alternativamente una defleccioacuten de 30deg (por ejemshy
plo) bien en campo magneacutetico o eleacutectrico puede utilishy
zarse para seleccionar una componente especiacutefica de
M Toacuteq
Frecuentemente se utiliza un imaacuten analizador como
estabilizador energeacutetico del haz Las sentildeales de corrienshy
te de un conjunto de rendijas para definir el haz (de
aproximadamente 1 mm de anchura) situadas cerca del
blanco retroalimentan un sistema que se utiliza para
elevar o reducir el voltaje del acelerador de forma que
el haz pase simeacutetricamente a traveacutes de las rendijas Este
principio se puede utilizar para estabilizar el voltaje del
terminal hasta aproximadamente 1 kV
El imaacuten analizador o un segundo imaacuten y un deflector
electrostaacutetico se pueden utilizar para dirigir el haz
hacia una de una serie de liacuteneas de haz y de caacutemaras
de blancos
) i J iacute f 11( lt
La mayoriacutea de los blancos se localizan a varios metros
del acelerador por lo que la posicioacuten tamantildeo y divershy
gencia del haz han de ser controlados desde la fuente
de iones hasta el blanco Las teacutecnicas como PIXE
RBS y NRA (que se describiraacuten maacutes adelante)
requieren tamantildeos de haz pequentildeos (- 1 mm2) aunshy
que para muestras que son sensibles al calentamiento
se utilizan aacutereas mayores Los principios bien estableshy
cidos de focalizacioacuten de electrones tambieacuten son aplishy
cables a haces de iones
bull Haces de alta energiacutea
Entre otros un sistema tiacutepico de transporte de alta
energiacutea consiste en los siguientes elementos (Fig4)
- Imanes analizadores y direccionadores del haz
con la posibilidad de defleccioacuten del haz entre 15deg y
90deg analizadores electrostaacuteticos para separar iones
tales como D H y O que son transmitidos por el mismo campo magneacutetico
- Cuadrupolos magneacuteticos o electrostaacuteticos
- Guiado o exploracioacuten electrostaacutetica en las direcshy
ciones X e Y la defleccioacuten electrostaacutetica tambieacuten
se puede utilizar para impedir que el haz incida en
la muestra mientras que se procesa una sentildeal en el
detector
AeI l E Iiexcl A1) oIn o [ iln iexclr e I ~ S
Visor del haz
Imaacuten analizador
Deflector en -doble codoraquo
Visor del ha
Vaacutelvula de accioacuten raacutepida
z
_
Apertura para difinicioacuten de tamantilde o de luz
Acelerador Trampa fria de impurezas
laquoen linearaquo
- Defleccioacuten cerca del blanco de aproximadamenshy
te 10deg simple o doble (codo) para eliminar partiacutecushy
las neutras que pueden constituir un tanto por
ciento de haz (especialmente si el vaciacuteo es pobre)
- Aperturas o rendijas X-y para definir e tamantildeo
del haz a la entrada ya la salida del imaacuten analizashy
dor y despueacutes de la muestra sus bordes no pueden
ser menores que e rango ioacutenico Pueden ser neceshy
sarias aperturas adicionales refrigeradas para evitar
e calentamiento de elementos sensibles tales como
algunas juntas
- Visores de cuarzo que se pueden insertar para
interceptar el haz y tener asiacute una indicacioacuten visual
de su forma y tamantildeo
- Monitores remotos para conocer el perfil del
haz (forma e intensidad en las direcciones X e y)
Interruptores de haz para cortarlo en puntos
apropiados a lo largo de la liacutenea de haz preferishy
blemente controlados a distancia Se utilizan
para ello materiales de alto Z tales como taacutentalo
o platino para minimizar la produccioacuten de neu shy
trones para energiacuteas inferiores a 5 MeV Por encishy
ma de este valor los iones ligeros producen neushy
trones al incidir en la mayoriacutea de los materiales
(NCRP 51)[9]
Alineacion oacuteptica t
Imaacuten de seleccionador de haz -
Caacutemara de reaccioacuten o de blancos
Figura 1 Srstsl11J de Iriquest1Il ~ por ll~ ri el Ilaiquest
bull Haces de baja energiacutea
El transporte de haces de alta y baja energiacutea se
basa en los mismos principios pero los de baja
energiacutea estaacuten afectados por factores tales
como
- El pequentildeo tamantildeo de equipo
- Los requerimientos predominantes para haces de iones pesados (ej O Ar+ Cs+ etc)
- El uso frecuente de haces de pequentildeo diaacutemetro
laquo lOf-Lm ) para e anaacutelisis de microsondas
- La mayor probabilidad de cantidades significatishy
vas de componentes neutros en e haz
- El uso de condiciones de vaciacuteo extremo
(Ultra High Vacuum) para e control de condicioshy
nes superficiales
323 Ciacutelll mls Jc llt iexclcc ioacuten () c ispns i6 11
Los blancos se posicionan en las llamadas caacutemaras de
reaccioacuten o dispersioacuten y pueden ser baacutesicamente de
dos tipos los que son ellos mismos objeto de estudio
y los que se usan en la produccioacuten de partiacuteculas
secundarias
I I1 (J I Oacutet
Llave de vacio para introduccioacuten de muerstras
Teacutecnicas de RBS
Haz de iones
incidente
Teacutecnicas de NRA
Teacutecnicas de PIGE gamma
Las caacutemaras de anaacutelisis pueden ser muy simples
cuando se dedican a un tipo de medidas y constan
de no maacutes de un soporte de blancos y un sistema
de deteccioacuten para medir el rendimiento de interacshy
cioacuten Los sistemas maacutes complejos son vaacutelidos para
varias teacutecnicas diferentes ya que permiten una
manipulacioacuten sofisticada del blanco o el cambio
automaacutetico de muestras Los sistemas maacutes compleshy
tas incluyen manipuladores de precisioacuten que comshy
binan rotaciones y traslaciones de la muestra Para
traslaciones por ejemplo es deseable una reprodushy
cibilidad menor que 025 mm para espectroscopiacutea
de retrodispersioacuten Rutherford (RBS) el alineashy
miento angular de la muestra requiere una precishy
sioacuten menor que 01deg necesitando al menos dos
rotaciones angulares
Integrac ioacuten de la corriente de haz Supresioacuten de electrones secundarios
Escudo criostaacutetico
Ventana de visualizacioacuten F = Laacutemina
absrobente selectiva
1 iexcliexcllIra 5 Caacutelllarlt de l)liquestiexclnco~ esquellliil ieos para Bl1iIacuteliI dI 11dcelt uacutee IOll eacuteS Je d lla eacute11iriexcl~ld
Muchos sistemas de baja energiacutea poseen todos los eleshy
mentos en una uacutenica caacutemara de vaciacuteo (fuente de iones
elementos de aceleracioacuten y focalizacioacuten blancos y
detectores) Sin embargo es maacutes corriente tener separashy
dos los componentes de produccioacuten del haz y de manishy
pulacioacuten del blanco y el sistema de deteccioacuten al menos
por medio de una vaacutelvula de vaciacuteo que facilite el camshy
bio de blanco sin dejar al sistema completo a presioacuten
atmosfeacuterica
La Figura 5 muestra un diagrama esquemaacutetico de una
caacutemara de blancos de alta energiacutea Algunas de sus
caracteriacutesticas operacionales son
- Traslacioacuten (X Y Z) y rotacioacuten de la muestra (ltp -y w)
- Orificio de introduccioacuten de muestras con vaacutelvula
de vaciacuteo
iexcl e I Lt 1~ltJ O lS IIE iexcl-iexclIn Ile I i S
- Dispositivos para integracioacuten de corriente (para
determinacioacuten de dosis ioacutenica y obtencioacuten de
rendimientos absolutos)
- Colimadores y supresores de electrones secundashy
nos
- Puerto de observacioacuten para posicionamiento del
haz sobre el blanco
- Refrigeracioacuten o calefaccioacuten del blanco
- Detectores de iones localizados dentro de la
caacutemara y ajustables externamente
- Detectores de fotones y neutrones montados
dentro o fuera de la caacutemara
11 I (( middots (Y CiW
Una opcioacuten a la utilizacioacuten de caacutemaras de reaccioacuten es
el uso de haces externos Los protones de alta energiacutea
tienen suficiente rango (tiacutepicamente 10 a 100 iexclLm)
como para pasar a la atmoacutesfera a traveacutes de una ventashy
na delgada El rango de un protoacuten de 3 MeV en aire
es de alrededor de 140 mm Esto ofrece ventajas espeshy
ciales en las siguientes situaciones
- Muestras que pueden cambiar de composicioacuten o
descomponerse en el vaciacuteo
- Geometriacutea extremadamente cercana para detecshy
tores de Rayos X o gamma que puede requerirse
en situaciones de bajo rendimiento
- Muestras demasiado grandes para la caacutemara de
blancos
- Muestras que requieran refrigeracioacuten especial
La ventana de salida del haz suele ser una laacutemina muy
delgada (tiacutepicamente de 5 a 10 iexclLm) fabricada con Cu
Fe Al Ni o plaacutestico
Los haces externos se utilizan baacutesicamente en anaacutelisis
de PIXE PIGE y RBS teacutecnicas que se describen en
la seccioacuten 4 de este capiacutetulo
LI t iVltiexclli cii l de cor ric l lc d I IIZ is le rnas (I clcc l o res IISI Ik-S Rcquc rillli cmiddotIln de va ciacuteo
j I l iVlc- litl dc riexcl (1)((11 1( di iexcl
Un aspecto importante en cualquier medida de anaacutelishy
sis por haces de iones es la determinacioacuten de la inteshy
gracioacuten de la corriente del haz Su medida es esencial
para la determinacioacuten de la dosis ioacutenica en cada medishy
da y para obtener los rendimientos absolutos Corrientes desde 10 pA (6x lOBiones s ) hasta 10 mA
(6x10 1l iones Si) han de ser medidos con una precishy
sioacuten miacutenima del 1 Las relaciones entre carga (Q)
corriente (I) tiempo (t) y nuacutemero de iones o la dosis
(N iones cm) son (Bird y Williams 89)[1]
Q=It N=6x1Q18Q (24)
La integracioacuten de la carga leiacuteda en el blanco es el
meacutetodo maacutes praacutectico de monitorizar la dosis del haz
aunque existen meacutetodos alternativos Uno de los
mejores consiste en un alambre que rota a traveacutes del haz dispersando una fraccioacuten del mismo a un detecshy
tor de semiconductor tipo barrera de superficie preshy
viamente calibrado frente a la corriente del haz medishy
da anteriormente con precisioacuten Estas medidas se reashy
lizan normalmente con un dispositivo denominado
laquotaza de Faradayraquo Baacutesicamente consiste en un recishy
piente metaacutelico donde incide el haz de iones
La corriente se que se produce se mide con un microshy
amperiacutemetro Es importante evitar las peacuterdidas por
electrones secundarios que constituiriacutean una fuente
importante de error Para ello existen disentildeos especiacuteshy
ficos para limitar estas peacuterdidas y para recoger e inteshygrar el haz en la caacutemara de blancos Estos aspectos se
tratan maacutes extensamente por Bird y Williams 1989[1]
Los detectores que se utilizan normalmente son semi shy
conductores de Si(Li) para rayos X de germanio para
rayos gamma y de barrera de superficie para iones
Para neutrones en anaacutelisis de reacciones nucleares se
utilizan detectores de BF centelleadores etc
L l i iexclltcfl l () m lcl los dc lr~d()
Para un eficaz transporte del haz y correcta incidencia
en los blancos existen ciertos requerimientos de
vaciacuteo La mayoriacutea de las teacutecnicas de baja energiacutea utilishy
zan condiciones de ultra-vaciacuteo para eliminar contamishy
naciones superficiales en la muestra (presiones en la
caacutemara de blancos inferiores a 1 iexclLPa) Las teacutecnicas de
J(i
alta energiacutea requieren en cambio vaciacuteo en el rango de
1 J-LPa a 100 J-LPa Normalmente la presioacuten en la
caacutemara de blancos es diferente de la existente en las
liacuteneas de haz Las bombas de vaciacuteo en la caacutemara de
blancos deben tambieacuten eliminar gases producidos en
el blanco (como en muestras pulverizadas y prensashy
das) y en la misma caacutemara por lo que se requiere una
bomba de alta velocidad y condiciones de limpieza
para alcanzar ultra-vaciacuteo cerca del blanco Tambieacuten
los gases y vapores se pueden eliminar de la caacutemara
de blancos y de las liacuteneas de haz utilizando trampas
enfriadas con N2 o He Los componentes no deseados
se congelan asiacute en la superficie friacutea y permanecen
inactivos hasta que la superficie se calienta lo que
debe hacerse perioacutedicamente para purgar impurezas
en el sistema
Teacutec ni cas y aplicaciones de los ilceI21eacuteido shyICS cn lemas Illtmdisciplinarcs
Son numerosas hoy diacutea las aplicaciones de los aceleshy
radores Van de Graaff en muchos campos de invesshy
tigacioacuten Las partiacuteculas aceleradas se hacen incidir
sobre blancos y seguacuten la energiacutea y naturaleza de los
iones incidentes y composicioacuten del blanco se utilishy
zan diversos tipos de interacciones para obtener
informacioacuten sobre la muestra De manera resumida
podemos citar en primer lugar las teacutecnicas siguienshy
tes
bull Anaacutelisis y caracterizacioacuten de materiales (Ion Beam Analysis)
- Retrodispersioacuten Nuclear (RBs Rutherford
Backscattering Spectrometry y ERA Elastic
Recoil Analysis)
- Emisioacuten de rayos X y rayos g inducidos por parshy
tiacuteculas (PIXE Particle Induced X Ray Emission
y PIGE Particle Induced Gamma Ray
Emission)
- Anaacutelisis mediante reacciones nucleares (NRA
Nuclear Reaction Analysis)
- Microsondas
bull Modificacioacuten de materiales
- Implantacioacuten ioacutenica
- Mezclado (ltltmixingraquo) mediante haces de iones
- Expulsioacuten de aacutetomos superficiales (sputtering)
bull Dantildeos por irradiacioacuten Con electrones protones
neutrones alfas deuterio y partiacuteculas pesadas
bull Espectrometriacutea de masas con aceleradores
Las aplicaciones son muy variadas y no es inusual utishy
lizar varias teacutecnicas conjuntamente en un mismo tipo
de muestra para obtener la mayor cantidad de inforshy
macioacuten posible De forma general podemos ofrecer
los siguientes ejemplos
1 Ciencia de materiales Estudio de peliacuteculas finas
semi y super conductores materiales ceraacutemicos y
aleaciones metaacutelicas
2 Medio ambiente y geologiacutea Control de aguas
aerosoles sedimentos y suelos Datacioacuten geoloacutegica
3 Arte y arqueometriacutea Anaacutelisis no destructivo de
metales ceraacutemicas pinturas datacioacuten
4 Medicina y biologiacutea Anaacutelisis de materiales bioshy
loacutegicos
5 Fiacutesica baacutesica Atoacutemica nuclear de partiacuteculas
astrofiacutesica
4 1 Descripcioacuten de las teacutecnicas
A continuacioacuten se resentildean brevemente las caracteriacutesshy
ticas maacutes destacadas de las teacutecnicas de anaacutelisis enumeshy
radas anteriormente
11 l ~s plctrosC()pIacutelt 1 de ltIIodispcrsioacuteJl I Uihc d()j(1 meS)
Fue la base del descubrimiento de Rutherford del
nuacutecleo atoacutemico y es un meacutetodo simple que hoy se utishy
liza ampliamente para anaacutelisis de muestras en la
espectrometriacutea por retrodispersioacuten El meacutetodo se basa
en la colisioacuten elaacutestica de una partiacutecula incidente cargashy
da con el nuacutecleo de un aacutetomo En este proceso elaacutestishy
co la partiacutecula incidente y el nuacutecleo impactado permashy
necen en su nivel fundamental de energiacutea tras la inteshy
raccioacuten y por ello se conserva la energiacutea cineacutetica total
Las ecuaciones de conservacioacuten conducen a una relashy
cioacuten simple entre la energiacutea de la partiacutecula retrodisshy
3
persada laquoEIraquo (emitida a un aacutengulo cercano a 180deg) y
la energiacutea de la incidente laquoEnraquo
M - m)2 (25)Ed= En (M+m
donde laquomraquo y laquoMraquo son respectivamente las masas del
proyectil y del nuacutecleo blanco (siempre mltM) Si m es
muy ligera en comparacioacuten a M ambas energiacuteas son
similares por ello para distinguir las partiacuteculas dispershy
sadas de masa m de varios nuacutecleos de masa M m ha
de ser lo mayor posible pero siempre inferior a M En
la praacutectica para propoacutesitos de aceleracioacuten y deteccioacuten
la partiacutecula incidente es un protoacuten o una partiacutecula alfa
El meacutetodo consiste pues en la medida del nuacutemero y
distribucioacuten en energiacutea de iones (usualmente iones
ligeros muy penetrantes como H + Oacute He+) y con energiacuteshy
as del orden del MeV que son retrodispersados por
aacutetomos dentro de la regioacuten proacutexima a la superficie de
blancos soacutelidos De tales medidas es posible determishy
nar con algunas limitaciones la masa atoacutemica y la conshy
centracioacuten de constituyentes elementales del blanco en
funcioacuten de la profundidad bajo la superficie
La RBS es ideal para determinar los perfiles de conshy
centracioacuten de elementos traza que son maacutes pesados
que los constituyentes principales del sustrato Con
ellos es posible resolver isoacutetopos individuales pesados
en matrices que contengan elementos ugeros o medios
La RBS es muy complicada para materiales que conshy
tengan elementos con masas atoacutemicas parecidas y no
es uacutetil para elementos ligeros en matrices pesadas
La peacuterdida de energiacutea de los iones cuando la dispershy
sioacuten ocurre a cierta profundidad bajo la superficie da
lugar a un espectro de energiacutea continuo de retrodisshy
persioacuten hasta un valor maacuteximo dictado por la relacioacuten
cinemaacutetica del aacutetomo maacutes pesado del blanco Tambieacuten
se utiliza la RBS para estudiar defectos en la estrucshy
tura cristalina de la materia
-U 2 Iliexcliacutel iacute iacutes le retroceso cLiacutesrico (E R 1 )
Esta teacutecnica utiliza el retroceso de los aacutetomos del
blanco que puede ser detectado si reciben suficiente
energiacutea en una colisioacuten ion-aacutetomo yel suceso tiene
~ 10 O ro e Q)
O
lt3 ~ lO Q)
sect ro e ro
~ lO a Vl
~ e Q)
U lO --- - Datos experimentales
-- Curva de ajuste
10deg
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Energiacutea de rayos X (KeV) (Eje de abcisas)
FIflIra ti spec ro ll pl co d i r ~ yos X 11lt15 erllp leeacuteli lel een middotca de Jr I XE en una muest l3 el petroacuteleo rJ e csqu lto
lugar cerca de la superficie de la muestra Se utilizan
haces de iones de alta energiacutea maacutes pesados que los de
la muestra incidiendo con un aacutengulo pequentildeo sobre la
superficie de la misma detectaacutendose los aacutetomos ligeshy
ros en retroceso La teacutecnica hace posible la determinashy
cioacuten del perfil en profundidad de aacutetomos ligeros
41 3 Emisioacuten ele R lyos X iacutendu cietl por partiacuteclllns (PIXEl
El PIXE es una teacutecnica potente para el anaacutelisis mulshy
tielemental no destructivo de elementos traza en
muestras pequentildeas que requiere uacutenicamente unos
pocos minutos de irradiacioacuten para cada muestra
Utiliza partiacuteculas de energiacutea comprendida en el rango
de (05 a 10) MeV uma y detectores para Rayos X de
Si(Li) La mayoriacutea de los elementos por encima del
sodio se pueden analizar en el rango de Rayos X de 1
a 100 keV Con detectores de semiconductor sin venshy
tana el rango se puede ampliar hasta el berilio La
energiacutea de los Rayos X emitidos es caracteriacutestica del
aacutetomo bombardeado y la cantidad producida es proshy
porcional a la concentracioacuten elemental Pueden analishy
zarse simultaacuteneamente entre 25 y 30 elementos con
liacutemites de deteccioacuten inferiores a 1 f-lg g en algunas
circunstancias La emisioacuten de Rayos X es un proceso
38
105
multi-etapa en primer lugar los iones incidentes crean o
Haz de I ~c3vacantes en las capas electroacutenicas del aacutetomo blanco y protones iquest
de 2 MeVen segundo lugar estas vacantes son llenadas por elecshy iexcliexcl 104 l trones de capas maacutes externas liberaacutendose el exceso de
energiacutea en forma de fotones o electrones Auger
La Figura 6 muestra un espectro tiacutepico de Rayos X que
se encuentra tras aplicar la teacutecnica de PIXE a una
muestra de petroacuteleo de esquisto La Figura 7 muestra
un espectro de PIXE de una pieza arqueoloacutegica de
oro procedente de Centro Ameacuterica Se aprecian los
fotopicos de energiacutea que han sido asignados a la presenshy
cia de diversos elementos por corresponder la energiacutea
asociada a los mismos a los valores conocidos de transishy
ciones entre capas electroacutenicas de dichos elementos
En principio se puede realizar el anaacutelisis de todos los
elementos pero en la praacutectica soacutelo se consiguen detershy
minar cuantitativamente elementos de peso atoacutemico
mayor que 20 Los elementos de peso atoacutemico inferior a
20 se determinan con maacutes precisioacuten mediante la detecshy
cioacuten de los rayos gamma producidos por la excitacioacuten
de la estructura interna del nuacutecleo o la deteccioacuten de parshy
tiacuteculas cargadas surgidas tras la interaccioacuten entre la parshy
tiacutecula incidente y el nuacutecleo Ademaacutes los Rayos X tipo
K de los elementos ligeros son altamente absorbidos en
la muestra de forma que no se pueden hacer correccioshy
nes para obtener suficiente precisioacuten con PrxE
(1 A Jn(iexcllisis [JO[ rC llCiul1 CS 1l1lcl(~t1es (NK )
Este es uno de los meacutetodos maacutes complejos de anaacutelishy
sis Cada isoacutetopo puede experimentar varias reaccioshy
nes nucleares cada una de las cuales tiene caracteriacutesshy
ticas uacutenicas tales como liberacioacuten de energiacutea energiacuteas
de estados excitados secciones eficaces y distribucioshy
nes angulares Las aplicaciones a problemas analiacuteticos
especiacuteficos requieren la determinacioacuten de todos estos
factores para el isoacutetopo de intereacutes y para posibles
reacciones competidoras en otros isoacutetopos presentes
en la muestra En general estas reacciones implican la
incidencia de una partiacutecula (p) sobre un nuacutecleo (A)
del blanco con la subsecuente reemisioacuten de otra parshy
tiacutecula (p) y la creacioacuten en la muestra de otro nuacutecleo
diferente (B) En la nomenclatura usual en fiacutesica
nuclear el proceso se describiriacutea como una reaccioacuten
A(p p)B Es siempre conveniente considerar las reacshy
u ~
ro e ~~~
1
8 O
103
e I E
e l~~ lO
U
~~ A~lO
5 10 15 20 25 30
Energiacutea (KeV) (Abcisas)
rigllla 1 rspectro de P I X E
ciones de acuerdo con el tipo de radiacioacuten que se va a
originar tras la interaccioacuten pues esto determina los
meacutetodos y detectores necesarios Asiacute por ejemplo se
puede utilizar para estudiar la reaccioacuten la emisioacuten de
diversos productos como fotones gamma partiacuteculas
alfa protones o radiactividad inducida Las caracteshy
riacutesticas maacutes importantes del NRA son
bull Alta selectividad en la determinacioacuten de nuacuteclidos
ligeros especiacuteficos
bull Buena sensibilidad para muchos nuacuteclidos que son
difiacuteciles de determinar con otras teacutecnicas
bull Buena capacidad para determinar perfiles de proshy
fundidad de nuacuteclidos ligeros especiacuteficos
bull Determinacioacuten absoluta y precisa de muchos
nuacuteclidos
Existen diversos tipos de reacciones que podemos clashy
sificar seguacuten el ioacuten incidente y la partiacutecula emergente
como
4 I 4 I Re(ccoi1lS iexclJ1-W ilit1 (ji y)
Estas reacciones son la base de la teacutecnica de PIGE
(Emisioacuten de rayos gamma inducida por partiacuteculas)
resentildeada anteriormente Es una teacutecnica muy versaacutetil
para anaacutelisis no destructivo de pelfiles en profundidad
Es ademaacutes la aplicacioacuten maacutes comuacuten de anaacutelisis por
reacciones nucleares En el proceso los nuacutecleos en estashy
do excitado tras ser bombardeados con una partiacutecula
pueden emitir uno o maacutes fotones gamma corresponshy
dientes a los saltos entre niveles energeacuteticos nucleares
(desde estados excitados a otros de inferior energiacutea)
Tras la emisioacuten gamma permanece un nuacutecleo estable
habieacutendose producido una transmutacioacuten nuclear El
espectro de rayos gamma es caracteriacutestico de los niveles
energeacuteticos del nuacutecleo involucrado en la reaccioacuten y su
intensidad se utiliza para determinar la concentracioacuten
del nuacutecleo inicial en la muestra Tiacutepicamente se empleshy
an como proyectiles protones de energiacuteas entre (2 a 3)
MeV y suele complementar a la teacutecnica de PIXE en
la deteccioacuten de elementos ligeros (Zlt13) para los que
esta uacuteltima es praacutecticamente insensible
El hecho de que las emisiones gamma provengan del
nuacutecleo hace que el espectro de fotones que se obtiene
puede ser capaz de poner de manifiesto la presencia de
varios isoacutetopos en la muestra la sensibilidad para cada
uno puede ser diferente seguacuten la energiacutea del fotoacuten emitishy
do la intensidad de emisioacuten y su abundancia en la muesshy
tra Asimismo otra ventaja la constituye el hecho de que
la energiacutea de los fotones gamma excede los
100 keV y muy frecuentemente incluso 1 MeV Por ello
la atenuacioacuten de fotones en la muestra no es significativa
y no es necesario realizar correcciones por autoabsorcioacuten en la misma Este aspecto hace del PIGE una teacutecnica
muy apropiada para el anaacutelisis con haces externos
Es muy frecuente la aplicacioacuten del PIGE en arqueoshy
logiacutea para analizar vidrios En las Figuras 8 y 9 mosshy
tramos los espectros de PIGE de un vidrio contemshy
poraacuteneo y otro romano tardiacuteo Apreciamos la diferenshy
te composicioacuten de ambas muestras
Se utilizan para la determinacioacuten de la mayoriacutea de los isoacutetopos desde el I H al J2S Las reacciones maacutes utilizashy
das son de los tipos (p a) (d p) y (d a) Las reaccioshy
nes con JH proporcionan alternativas uacutetiles para la determinacioacuten de isoacutetopos como elH 12C y 160 Las
energiacuteas de los iones incidentes variacutean entre 05 MeV y
2 MeV Para el estudio de metales se utiliza la reaccioacuten
(d p) con energiacuteas superiores a 3 MeV Se obtienen
sensibilidades del orden de lOmg gl o incluso menores
con tiempos de medida del orden de 10 minutos La
profundidad maacutexima analizable es del orden de 1 -Lm
Vi ro u ro c Q)
23Na 440 KeV
al
E 3 uuml i
lO IOB
429 511
10B 27 Al 718 844
27 AL 1014
N
Q)
103 IIB 2125
U ltn Q)
e Q) iexcl
~ 2 c Q) gt
11 I ( I I I
Uuml 500 1000 1500 2000 2500
Nuacutemero de canal (abe isasl
I iexcl jl ~ (~ lit 1ft In ti ( I iexcl d 1 111 11
di Ir n 0111 11(11 0111 1I
I 1 (
El nuacutecleo formado tras la incidencia de un ion es
radiactivo como por ejemplo en la reaccioacuten 19F(p n) 1 9Ne~([3+)~19F Una vez que la irradiacioacuten ha
concluido la radiacioacuten beta o cualquier emisioacuten
gamma asociada se puede medir en la muestra de
manera anaacuteloga a la teacutecnica de anaacutelisis por activashy
cioacuten neutroacutenica Podriacuteamos considerar el PAA
como una faceta de una reaccioacuten tipo ion-neutroacuten
en la que se estaacute interesado en analizar la radiacioacuten emitida por el nuacutecleo formado maacutes que intentar
utilizar los neutrones como fuente de informacioacuten
1 I 1 11 1 (111 -t
Esta teacutecnica consiste en la utilizacioacuten de un haz de
iones incidentes finamente focalizados Con esta
caracteriacutestica se pueden irradiar un punto de 1 mm o
menos de diaacutemetro y explorar asiacute la superficie de la
muestra para obtener informacioacuten bidimensional
sobre su composicioacuten Existen tres aproximaciones para la utilizacioacuten de esta aplicacioacuten
bull Microsonda de iones Se utiliza un micro haz de iones de baja energiacutea (1 a 5 -Lm de diaacutemetro) que
se desplaza a traveacutes de la superficie junto con
medidas sincronizadas para obtener una distribushy
cioacuten espacial de la especie analizada
bull Microscopio o microanalizador ioacutenico Un haz
de sputtering de gran aacuterea y baja energiacutea se utiliza
junto con un sistema oacuteptico de imagen para los
I 1 1 q
iones expulsados de la superficie analizada se
obtiene una distribucioacuten espacial de la especie
analizada
bull Microsonda de protones o nuclear Se utiliza un
micro haz de alta energiacutea de protones u otros iones
ligeros (1 a 5 un de diaacutemetro) para analizar un
punto pequentildeo o explorar a lo largo de la supelJishy
cie se registran medidas sincronizadas para obteshy
ner distribuciones espaciales multielementales Si
se utilizan teacutecnicas de RBS ERA o de N RA se
obtiene informacioacuten isotoacutepica y del perfil en proshy
fundidad
Una descripcioacuten maacutes detallada puede consultarse en
Bird y Williams 1989[1] Sus aplicaciones maacutes imporshy
tantes abarcan campos desde la metalurgia microcirshy
cuitos geologiacutea arqueologiacutea etc
Estas teacutecnicas pueden modificar sustancialmente la
estructura y composicioacuten de las capas superficiales de
una muestra Con ellas se pueden modificar las proshy
piedades de los materiales Existen cuatro tipos de
procesos involucrados
bull Implantacioacuten ioacutenica Introduccioacuten de una nueva
especie atoacutemica
bull Dantildeos por radiacioacuten Desplazamiento de aacutetomos
de la muestra
I ) iexclI lt1 1 1 ( lO d( 1 el de 1111 lt1 IIHlt Ir dI v ldllO 1ltI 1II IIe ll l l o l ll ~Il ( Id d io
b)
Na
440 keV Al Al SI+(P) Na Si
1779 keV
o 1000 2000 3000 4000 N uacutemero de canal
bull Mezclado mediante haces de iones Provocacioacuten
de difusioacuten y migracioacuten de especies atoacutemicas
bull Sputtering Consiste en la expulsioacuten de aacutetomos
superficiales a una tasa que depende del tipo de
ion energiacutea corriente de haz aacutengulo de incidencia
y composicioacuten de la muestra La tasa de expulsioacuten
tambieacuten depende de la especie quiacutemica presente
en la superficie de la muestra incluyendo la preshy
sencia de oxiacutegeno u otra especie reactiva
Como ejemplos de aplicaciones podemos citar la
implantacioacuten de aacutetomos dopadores en semiconductoshy
res para la fabricacioacuten de circuitos integrados fabricashy
cioacuten de aleaciones superficiales y compuestos para
modificar las propiedades mecaacutenicas (desgaste dureza
y friccioacuten) quiacutemicas (cataacutelisis y corrosioacuten) oacutepticas y
eleacutectricas de metales aislantes y semiconductores
iexcl 17 1 ~ l l( 11lI1I1L l lIacute ll l 11111 edll tu kl il l () I( ~
( 1
Los aceleradores Van de Graaff tambieacuten pueden utilishy
zarse junto con analizadores de masas magneacuteticos y
electrostaacuteticos para medir isoacutetopos radiactivos en conshy
centraciones muy bajas Se pueden asiacute detectar varios
isoacutetopos de periacuteodo largo que eran muy difiacuteciles de
cuantificar a traveacutes del recuento de sus desintegracioshynes (aBe 4C 26Al J6Cl Ca 129I) Gracias a esta teacutecnishy
ca se ha podido reducir el tiempo de recuento yel
tamantildeo de muestra en varios oacuterdenes de magnitud
En el uacuteltimo decenio las aplicaciones de la AMS en
la investigacioacuten se centraron en fiacutesica nuclear (medida
de semividas y secciones eficaces) astrofiacutesica (estudios
de rayos coacutesmicos y deteccioacuten de neutrinos solares)
ciencias geoloacutegicas yen la antropologiacutea y arqueologiacutea
(datacioacuten por J4C) Tambieacuten se utiliza en el anaacutelisis de
materiales bioloacutegicos (estudios de ADN con J4C metashy
bolismo de aluminio con 26Al investigaciones de os teshy41 C )oporoslsbull con a
La utilizacioacuten de un acelerador previo al anaacutelisis tiene
ciertas ventajas como en lo relativo a la supresioacuten de
fondo en las medidas El acelerador se utiliza como
parte de un proceso de filtrado del haz al final del
cual se obtiene la alta sensibilidad que se requiere
Podemos resumir las etapas de laquofiltradoraquo del haz
como sigue (Suter 1997)[11]
iexcl1 1l t lli tiexcliexclJ it 1 Ji- rl le UI I S
a Primer filtro El anaacutelisis comienza introduciendo
la muestra en una fuente de iones y bombardeaacutenshy
dola con un haz de iones positivos de cesio (5keVshy
40 keV) para producir un haz de iones negativos
con los aacutetomos de la muestra Esto significa la
supresioacuten a la entrada del acelerador de un nuacutemeshy
ro de interferencias causadas por nuacutecleos isoacutebaros
estables que son incapaces de formar iones negatishy
vos (como por ejemplo el nitroacutegeno)
b Segundo filtro Las masas de intereacutes son selecshy
cionadas en un primer espectroacutemetro de masas
Los iones que pasan son acelerados hacia la termishy
nal de alto voltaje del Van de Graaff
c Tercer filtro En la terminal pasan por el stripshy
per de carga donde los iones negativos son desshy
provistos de sus cargas negativas y la mayoriacutea de
ellos alcanzan un estado de carga positivo En este
proceso de cambio de carga las moleacuteculas que
existan en el haz pueden ser destruidas pues el
stripper supone la eliminacioacuten de moleacuteculas que
son inestables en estado de ionizacioacuten positivo
d Cuarto filtro Los iones positivos son acelerados
hasta potencial cero y analizados en un espectroacuteshy
metro de masas de alta energiacutea que generalmente
consiste en un sistema de defleccioacuten electromagneacuteshy
tico
e Quinto filtro Los iones son identificados en un
sistema detector de ionizacioacuten gaseosa o de semishy
conductor
En resumen tras los procesos mencionados se consishy
gue eliminar impurezas y aumentar la sensibilidad de
la espectrometriacutea de masas tradicional que soacutelo sepashy
ra los iones por su masa La AMS mide generalmenshy
te la masa y la carga nuclear para iones contados indishy
vidualmente (cocientes AZ) Para conseguir esto los
iones deben ser acelerados hasta varios MeV por
nucleoacuten Tras la aceleracioacuten y preseleccioacuten las partiacuteshy
culas de alta energiacutea entran en un sistema de detecshy
cioacuten Los detectores utilizados (corrientes en experishy
mentos de fiacutesica nuclear) pueden identificar iones que
seriacutean de otra forma no identificables al medir propieshy
dades que dependen de la carga nuclear en lugar de la
carga ioacutenica en particular se utilizan el alcance y
poder de frenado en la materia De esta forma se
determinan la masa A y nuacutemero atoacutemico Z con lo
que se identifica el ion sin ambiguumledad Los detectoshy
res se conocen como del tipo laquo1E-Eraquo (Knoll1989
p 380 y ss)[6] Consiste en una combinacioacuten de dos
detectores uno delgado (menor que el alcance de las
partiacuteculas) donde se mide la peacuterdida de energiacutea por
ionizacioacuten y otro masivo en el cual se detengan y
cedan toda su energiacutea Soacutelo se aceptan los sucesos en
coincidencia por lo que en la medida del haz se obtieshy
nen simultaacuteneamente los valores de dEdx y E Para
partiacuteculas cargadas no relativistas de masa m y carga
ze la foacutermula de Bethe predice que
dE ex mz2
In (k~) (26)dx E m
donde k es una constante El producto E(dEdx) es
soacutelo suavemente dependiente de la energiacutea de la partiacuteshy
cula a la vez que es un indicador sensible del valor mz2
que la caracteriza La energiacutea de la partiacutecula incidente
se puede obtener de la suma de las medidas en los dos
detectores con lo que se puede obtener a la vez el
valor de su masa Esta informacioacuten junto con el
cociente AZ conocido permite la total identificacioacuten
de las partiacuteculas
La datacioacuten con IC es una de las aplicaciones maacutes trashy
dicionales Existen actualmente unas 20 instalaciones
en el mundo Muestras tan renombradas como la
Saacutebana Santa de Turiacuten o el hombre de hielo del Tirol
han sido fechadas con esta teacutecnica La teacutecnica convenshy
cional de datacioacuten con c registra exclusivamente las
desintegraciones producidas en la muestra durante el
proceso de medida y eacutesto soacutelo ocurre en una pequentildea
fraccioacuten de los aacutetomos de c presentes Una teacutecnica
de anaacutelisis directa como la espectrometriacutea de masas
puede mejorar la eficiencia de deteccioacuten significativashy
mente Sin embargo aparecen nuevos problemas
bull EI14N tiene una masa que difiere en una cantidad 14muy pequentildea de la del C (84000) y estaacute preshy
sente incluso en las mejores condiciones de vaciacuteo
bull Existen moleacuteculas que tambieacuten tienen masas cercashy14nas a las del C como I2CH2 IJ CH y 7Li2 En prinshy
cipio la diferencia de masas con estas moleacuteculas es
lo suficientemente grande como para ser separadas
con un espectroacutemetro de masas de alta resolucioacuten
Pero debido a la baja abundancia isotoacutepica del 12
14e (ere - 10- - lO t estos componentes
moleculares han de ser suprimidos hasta 10 oacuterdeshy
nes de magnitud lo que no es posible hasta la
fecha en los espectroacutemetros de masas convencioshy
nales
En 1977 se demostroacute que el uso de aceleradores de
alta energiacutea puede obviar las interferencias mencioshy
nadas anteriormente en el recuento de 14e y otros
isoacutetopos radiactivos de periacuteodo largo (Gove et al
1987) [4]
5 Fuenles de rad iac ioacuten en un ace lera dor Van de GraCl i r Proteccioacuten f~adiol oacuteg i cd
En la operacioacuten de un acelerador Van de Graaff estaacuten
presentes varias fuentes de radiacioacuten que podemos
englobar en dos grandes grupos el haz de iones aceleshy
rados y otras emisiones secundarias originadas por la
interaccioacuten del haz sobre los materiales sobre los que
incide Podemos distinguir pues los siguientes composhy
nentes en el campo de radiacioacuten mixto presente
bull Iones ligeros (hidroacutegeno y helio) Se incluyen en
esta categoriacutea los iones positivos y negativos de
hidroacutegeno y helio Los rangos de los iones en la
materia son considerablemente maacutes cortos que los
de los electrones (protones de 2 MeV tienen un
alcance de 1100 del de un electroacuten en el mismo
material) Por debajo de 10 MeV estos iones no
llegan a salir a la atmoacutesfera pues incluso una delshy
gada ventana metaacutelica entre el vaciacuteo y la atmoacutesfera
es suficiente para absorber una fraccioacuten muy signishy
ficativa de su energiacutea Sin embargo estos iones
ligeros si son origen de varios tipos de reacciones
nucleares con la subsiguiente aparicioacuten de fotones
gamma o neutrones
bull Iones pesados (desde el litio) Generalmente los
haces de iones pesados que se pueden obtener con
aceleradores Van de Graaff (y hasta energiacuteas de
100 MeV) no constituyen por siacute mismos un riesgo
de radiacioacuten siempre que esteacuten confinados dentro
de la regioacuten de vaciacuteo del acelerador Ademaacutes las
radiaciones que se producen por la incidencia de
iones pesados tienen relativamente baja intensidad
iexclgura I (J fl u~ l erilcor Vltln rJI GraJff ri el CI FMAT
de emisioacuten comparadas con otras radiaciones que
se pueden producir en el mismo acelerador
bull Electrones secundarios Se pueden crear por la
interaccioacuten de iones con la materia por ejemplo al
incidir el haz de iones en diversos elementos del
sistema acelerador (colimadores stripper etc)
Estos pueden ser acelerados hacia la terminal posishy
tiva de alto voltaje Al incidir posteriormente sobre
elementos del sistema se emiten Rayos X
bull Radiacioacuten de frenado Originada por la incidencia
de electrones secundarios en diversos componentes
del sistema Aunque tambieacuten es posible los protoshy
nes u otros iones pesados provocan una tasa de emishy
sioacuten de radiacioacuten de frenado mucho menor que los
electrones Si consideramos una partiacutecula incidente
de masa m y carga ze que penetra en el campo eleacutecshy
trico de un nuacutecleo atoacutemico de carga Ze la intensishy
dad de radiacioacuten de frenado es proporcional a
z2Z2m2 Por ello esta intensidad es de menor imporshy
tancia para partiacuteculas cargadas e iones pesados que
para electrones que atraviesan un medio material
bull Rayos X caracteriacutesticos Se producen por la incishy
dencia de electrones o iones en la materia y como
43
consecuencia de la liberacioacuten de electrones orbitashy
les de un aacutetomo Tienen energiacutea relativamente baja
(menor que 100 keV)
bull Neutrones Se producen por la incidencia de elecshy
trones fotones o iones en la materia Los neutroshy
nes se producen en muchos tipos de reacciones
nucleares y sus tasas de emisioacuten energiacuteas y distrishy
buciones angulares dependen fuertemente tanto
del tipo y energiacutea de las partiacuteculas incidentes como
de la naturaleza del material blanco Las reaccioshy
nes con deuterio son muy proliacuteficas sobre todo las
del tipo (d n) y sobre todo si el blanco es berilio [reaccioacuten 9Be(d n)loB] Las reacciones tipo (p n)
son tambieacuten fuente de neutrones pero el rendishy
miento de produccioacuten de neutrones es al menos
un orden de magnitud inferior al de las reacciones
(d n) a bajas energiacuteas Sin embargo al aumentar la
energiacutea de los protones los rendimientos se increshy
mentan raacutepidamente hasta alcanzar magnitudes
comparables a las de muchas reacciones (d n) Los
rendimientos de reacciones (g n) son tambieacuten de
inferior magnitud a las de reacciones (d n) Con
haces de electrones de alta energiacutea se obtienen asiacute
mismo elevadas tasas de fluencia de neutrones con
energiacutea que se aproxima a la de los electrones incishy
dentes
Otra posible fuente de neutrones es la terminal
intermedia Una pequentildea fraccioacuten de los iones
negativos acelerados hacia esta terminal incide en
los materiales estructurales del sistema de cambio
de carga (stripper) Con suficiente energiacutea (yespeshy
cialmente en el caso de deuterio) se pueden proshy
ducir neutrones debido a reacciones nucleares
entre estos iones y el sistema de cambio de carga
En el caso de aceleradores Van de Graaff para
haces de protones o iones de helio de energiacutea
menor que 3 MeV e intensidad menor que 1 mA
los neutrones no constituyen un problema serio de
proteccioacuten radioloacutegica a menos que se utilicen eleshymentos ligeros como blancos JH 7Li 9Be Algunos
metales como el cobre tienen umbrales de proshy
duccioacuten de neutrones inferiores a 3 MeV Con
corrientes superiores a unos pocos iexclLA se pueden
producir niveles apreciables de neutrones en renshy
dijas y aperturas (Bird y Williams 89)[9] Datos
sobre produccioacuten de neutrones se pueden consulshy
tar en NCRP-51 y IAEA 88[5]
bull Radiacioacuten gamma inmediata Originada por la
incidencia de iones o neutrones en diversas partes
del equipo y blindajes Siempre que los neutrones
tengan energiacuteas superiores al umbral miacutenimo de
excitacioacuten de los nuacutecleos con los que interactuacutean
pueden producirse dispersiones inelaacutesticas del
neutroacuten que dejan al nuacutecleo en un estado excitashy
do La seccioacuten eficaz de estos procesos es usualshy
mente menor que 3 barn Las energiacuteas de los fotoshy
nes son caracteriacutesticas del nuacutecleo que es bombarshy
deado y pueden variar desde decenas de ke V
hasta 20 MeV aproximadamente Los neutrones
decelerados son finalmente capturados lo que
tambieacuten conlleva la emisioacuten de fotones gamma
(captura radiativa) Por ejemplo la captura de
neutrones lentos en el hidroacutegeno de un blindaje de
hormigoacuten provoca la reaccioacuten n+H-H+Y
(2 2 MeV) Es necesario tener en cuenta esta reacshy
cioacuten al disentildear blindajes de hormigoacuten u otro mateshy
rial hidrogenado para neutrones pues el mismo
blindaje es una fuente de rayos gamma
bull Radiactividad inducida Ademaacutes del campo de
radiacioacuten inmediata puede existir otro campo que
continuacutea tras el cese del funcionamiento del aceleshy
rador Este campo de radiacioacuten estaacute producido por
el decaimiento de la radiactividad inducida en la
estructura del acelerador y en sus equipos auxiliashy
res y su duracioacuten depende del periacuteodo fiacutesico del
isoacutetopo particular Sus caracteriacutesticas dependeraacuten
de muchos factores como el tipo y energiacutea de las
partiacuteculas aceleradas la intensidad del haz y los
materiales irradiados por el haz primario y por
radiaciones secundarias (IAEA 88) [5J Puede estar
originada por diversas reacciones que creen un
nuacutecleo radiactivo como la reaccioacuten 7Li(pnfBe
para haces de energiacutea mayor que 188 MeV el 7Be
decae por 13+ con un periacuteodo fiacutesico de 53 diacuteas
Tambieacuten es posible la aparicioacuten de radiactividad
inducida por reacciones tipo (-y n) y por activashy
cioacuten neutroacutenica
Para reacciones fotonucleares (g n) en aire las
predominantes originan O (TI =2 min) ))N (TI
=10 min) y en algunos casos 16N (TI2 =7 s)
(NCRP-51) [9] Las energiacuteas umbrales de los fotoshy
nes gamma son elevadas (desde 8 MeV a 18 MeV
en materiales usualmente presentes en la instalashy
cioacuten de un Van de Graaff) Dado que los fotones
gamma que se pueden originar no sobrepasan
generalmente esos umbrales las reacciones de proshy
duccioacuten de fotoneutrones no son muy probables
La activacioacuten neutroacutenica es otra posibilidad como
en toda instalacioacuten donde se produzcan neutrones
Son fuentes potenciales de activacioacuten el propio
acelerador los equipos auxiliares las paredes de
hormigoacuten yel aire Sin embargo de la experiencia
de maacutes de 40 antildeos en el uso de pequentildeos acelerashy
dores de investigacioacuten se desprende que la mayoriacutea
se opera por debajo de la energiacutea e intensidad de
haz a las cuales la activacioacuten neutroacutenica representa
un serio problema de radioproteccioacuten
En aire los radionuacuteclidos significativos para contashyminacioacuten ambiental son )H 7Be y quizaacutes llC uN
y O A pesar de el largo periacuteodo fiacutesico del )H su
impacto ambiental queda limitado debido a su baja tasa de produccioacuten Con la excepcioacuten del )H y del 7Be el periacuteodo fiacutesico de la mayoriacutea de los
radionuacuteclidos es corto por lo que incluso se proshy
duciraacute algo de decaimiento incluso durante e
tiempo que inviertan en alcanzar todas las zonas alrededor del acelerador ademaacutes debido a los sisshy
temas de aireacioacuten usuales el tiempo de residencia
del aire en el acelerador ( y por tanto su tiempo de
irradiacioacuten) es corto por lo que la produccioacuten de
las concentraciones de gases radiactivos con periacuteoshydo fiacutesico largo es miacutenima Datos de los radionuacuteclishy
dos de periacuteodo fiacutesico mayor que 1 minuto que se
pueden producir a partir de los isoacutetopos maacutes usuashy
les en aire pueden consultarse en IAEA 88[5] La
magnitud de la actividad especiacutefica total S debida a laquoiraquo radionuacuteclidos en un volumen cerrado de gas
radiactivo alrededor de un acelerador se puede
estimar con una expresioacuten propuesta por
Patterson y Tnomas 73 [10] con la que se obtienen
resultados concordantes con los valores experishy
mentales en un factor dos o mejor Tambieacuten es posible la reaccioacuten 40Ar(n )Ar (TlI2 = 18 h) Su
intensidad sin embargo no es elevada dado que la
concentracioacuten atmosfeacuterica de 40Ar es de un
046
bull Con todo la mayor fraccioacuten de radiactividad indushycida se puede producir en la estructura y composhy
nentes del transporte del haz del acelerador Para
minimizar la produccioacuten de neutrones se construshy
yen algunos componentes del acelerador con taacutenshy
talo En el hormigoacuten de los blindajes los datos
experimentales (IAEA 88) muestran que es posible la aparicioacuten de 24Na (T 12 = 1496 h) formado por
captura neutroacutenica del sodio presente en el horshy
migoacuten usualmente puede dominar el campo de
radiacioacuten en la superficie de mismo inmediashy
tamente tras el cese de la operacioacuten del acelerador
De esta forma contribuye al aumento de la radiashy
cioacuten ambiental en la sala tras el uso repetido del
acelerador
1f r H I (~c iexcl11 11t 111 u
Al Prof D Manuel Garcia Leoacuten por la revisioacuten del
texto y al Prof D Miguel Respaldiza Galisteo por sus
valiosas sugerencias bibliograficas
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3
C[ II- R DO Ilt I ) [J[ 1- _ I I - C iexcl ~ C) r1 1 S I I ~ U~() MI iexclJ I C Cl
I
l IIIIr)(W iexcl USI
Los meacutetodos maacutes usuales en el tratamiento del caacutencer
son la cirugiacutea la irradiacioacuten y la quimioterapia Uno
de ellos que cada vez resulta maacutes efectivo es la irrashy
diacioacuten bien sola o combinada con otras modalidashy
des de tratamiento
El objetivo que se pretende con un tratamiento radioshy
teraacutepico es conseguir una irradiacioacuten homogeacutenea del
volumen a tratar con una dosis suficiente procurando
reducir al miacutenimo la dosis absorbida por oacuterganos y
tejidos sanos contiguos (Fig1)
Para lograr este objetivo es preciso realizar una
correcta planificacioacuten de la teacutecnica de tratamiento
ello implica decidir queacute tipo de radiacioacuten y energiacutea es
la maacutes adecuada cuaacuteles seraacuten el nuacutemero de puertas de
entrada de la radiacioacuten el tamantildeo del campo su
angulacioacuten y sobre todo el tiempo necesario para suministrar al volumen tumoral o volumen blanco la
dosis adecuada Para realizar una planificacioacuten de un
tratamiento es preciso determinar con exactitud la
localizacioacuten anatoacutemica del volumen blanco y de los
oacuterganos criacuteticos circundantes este proceso se denomishy
na localizacioacuten y simulacioacuten
A partir de un contorno del paciente en un plano
sagital al nivel de la lesioacuten y de la situacioacuten de las secshy
ciones de los voluacutemenes blanco se debe obtener un mapa de distribucioacuten de dosis (curvas de iso dosis) en
las condiciones de tratamiento establecidas y se debe
calcular el tiempo de irradiacioacuten para el caso de una
1111
--- Fuente radiaccioacuten
contorno
volumen blanco
Unidad de Telegammaterapia o de Unidades de
Monitor para un Acelerador de Electrones Estos caacutelshy
culos pueden realizarse de una forma manual o autoshy
maacutetica mediante programas de ordenador especiacuteficos
La ventaja del caacutelculo automaacutetico en lo que se refiere
a su precisioacuten y rapidez es trivial
Todo es relativamente faacutecil cuando la lesioacuten es superfishy
cial de manera que con una radiacioacuten de baja energiacutea se
puede lograr un buen tratamiento El problema se comshy
plica conforme aumenta la profundidad a que se situacutea la
lesioacuten Para conseguir llegar a una profundidad con una
dosis determinada la dosis a la entrada seraacute muy supeshy
rior y tanto mayor cuanto menor sea la energiacutea de la
radiacioacuten utilizada Ademaacutes en ciertos casos aunque la
lesioacuten sea relativamente superficial interesaraacute minimizar
la irradiacioacuten de los tejidos maacutes profundos situados por
debajo del volumen blanco en cuyo caso lo maacutes conveshy
niente seraacute la utilizacioacuten de haces de electrones
Asiacute pues y en funcioacuten de estas consideraciones el
desarrollo teacutecnico de los equipos a utilizar en radioshy
terapia se ha dirigido a conseguir haces de fotones de
alta energiacutea y de electrones de energiacutea variable
Cronoloacutegicamente la primera fuente de radiacioacuten utishy
lizada en los tratamientos de radioterapia fueron los
Rayos X de energiacutea pico inferior a 200 KV que actualshy
mente denominamos radioterapia superficial o conshy
vencional
Los problemas que plantea la utilizacioacuten de esta radiashycioacuten se pueden resumir en
bull Alta dosis en superficie (ausencia de laquobuild-upraquo)
bull Dosis en profundidad relativamente pequentildea
bull Penumbra ancha en los bordes del campo
Con ello se produciacutean considerables lesiones dermatoshy
loacutegicas no era factible irradiar voluacutemenes profundos y
presentaba grandes dificultades a la hora de definir
los liacutemites del campo de irradiacioacuten
Una aportacioacuten importante a la radioterapia fue la utishy
lizacioacuten de fuentes encapsuladas de radioisoacutetopos
emisores gamma tales como el Cs-U7 y principalmenshy
te el Co-60 ubicados en maacutequinas denominadas
Unidades de Telegammaterapia
En particular las Unidades de Telegammaterapia por
Co-60 disponen de una fuente de este isoacutetopo emisor
gamma de energiacutea media 12 MeV su actividad oscila
entre los 3000 y 9000 Ci La fuente se coloca en el inteshy
rior de un bloque de plomo (cabeza de la Unidad) por
el que se puede desplazar para ocupar dos posibles posishy
ciones laquoReposoraquo y laquoTratamientoraquo En la posicioacuten de
laquoReposoraquo la radiacioacuten emitida por la fuente se atenuacutea
por efecto de la absorcioacuten de la cabeza de la Unidad En
la posicioacuten de laquoTratamientoraquo el haz de radiacioacuten colimashy
do llega directamente al paciente sujeto a tratamiento
Con la radiacioacuten gamma emitida por el Co-60 se
supliacutean en gran medida los inconvenientes de la utilishy
zacioacuten de Rayos X de alto voltaje Existe un espesor
de laquobuild-upraquo de 5 mm aumenta en gran medida la
dosis en profundidad y disminuye de una forma apreshy
ciable la penumbra de los bordes del campo
Sin embargo para disponer de radiacioacuten fotoacutenica de
mayor energiacutea y de otro tipo de radiacioacuten de caracteshy
riacutesticas muy diferentes-eomo son los haces de electroshy
nes a partir de 1940 se comenzaron a utilizar en
medicina equipos desarrollados teacutecnicamente con
anterioridad y utilizados en investigaciones fiacutesicas
Nos referimos a los Betatrones
Aunque el ciclotroacuten fue el primer acelerador circular
de partiacuteculas que se puso en funcionamiento a final
de los antildeos 20 y principio de los 30 se hicieron experishy
mentos para acelerar electrones en una oacuterbita circular
En 1922 Slepian presentoacute en Estados Unidos la prishy
mera patente del entonces llamado laquoinduction acceleshy
ratorraquo posteriormente denominado betatroacuten
Aunque en el periodo 1928-1929 se realizaron numeroshy
sos experimentos con el fin de desarrollar teacutecnicamente
el betatroacuten no fue hasta 1941 cuando Kerst construyoacute
el primer betatroacuten que llegoacute a funcionar con eacutexito
En teacuterminos simples el funcionamiento del betatroacuten
es similar al de un transformador en el que las bobishy
nas del secundario son reemplazadas por electrones
movieacutendose en una oacuterbita circular bajo la influencia
de un campo magneacutetico La aceleracioacuten es obtenida
por la fuerza inducida que proporciona el gradiente
de flujo dependiente de los electrones orbitales obtenidos mediante anillos con una frecuencia de
resonancia adecuada normalmente un muacuteltiplo bajo
de 60 Hz
Desde el primer eacutexito en el funcionamiento de un
betatroacuten de 20 Me V se construyeron diversos acelerashy
dores de este tipo aumentando su energiacutea maacutexima
hasta 300 MeV El betatroacuten fue un equipo que sumishy
nistraba rayos x y electrones en un rango de energiacuteas
de 50 a 100 MeV con una tasa de exposicioacuten de hasta
1000 Rlh a un metro de distancia caracteriacutesticas lo
hicieron apropiado para su uso en radioterapia
Posteriormente a partir de la segunda guerra mundial
donde se produjo un importante desarrollo de las teacutecshy
nicas de produccioacuten de microondas de alta potencia
se comenzaron a utilizar en medicina los Aceleradores
Lineales de Electrones
De esta manera y actualmente los Aceleradores de
Electrones han sustituido casi por completo a los
betatrones en su utilizacioacuten cliacutenica Como consecuenshy
cia en los Servicios de Radioterapia existen con
Unidades de Telegammaterapia por Co-60 o
Aceleradores Lineales de Electrones
Un Acelerador Lineal de Electrones es una maacutequina que
genera haces de electrones de alta energiacutea variable y selecshy
cionable a voluntad del usuario y haces de Rayos X de
alta energiacutea obtenidos al intercalar un metal de alta densishy
dad en la trayectoria del haz de electrones Para la adaptashy
cioacuten a su utilizacioacuten cliacutenica se les ha dotado de adecuados
sistemas de seguridad y control con el fin de evitar cualshy
quier riesgo de los pacientes sujetos a tratamiento
En esta monografiacutea se presenta de una forma simple
las bases del proceso de aceleracioacuten de electrones en
los Aceleradores Lineales y los componentes maacutes sigshy
nificativos que los hacen apropiados para su utilizashy
cioacuten cliacutenica Para ello se comenzaraacute exponiendo unas
ideas generales relativas al proceso de aceleracioacuten de
electrones bajo la accioacuten de campos eleacutectricos
2 Aceleracioacuten de electrones baJO la accioacuten de campos eleacutectricos
En la Figura 2 se muestra el dispositivo maacutes simple de
aceleracioacuten de electrones Consiste en una bateriacutea de
49
C fl lIiexcl i DO il l S Ilr iacute ~ H riacutecU I I ~
tubo al vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E
+ e
bullbullbullbullbull +
v
1 cm
+
1 voltio
I I[l la 2
1 V conectada a dos electrodos planos situados a 1 cm
de distancia en un tubo de vidrio en el que se ha
hecho el vaciacuteo el electrodo negativo o caacutetodo y el
positivo o aacutenodo La bateriacutea da lugar a un flujo de
electrones por el circuito exterior hacia el caacutetodo y
como consecuencia una acumulacioacuten de carga negatishy
va en el caacutetodo y de carga positiva en el aacutenodo Esta
distribucioacuten de cargas crea un campo eleacutectrico laquoEraquo en
la regioacuten situada entre los dos electrodos que se deshy
finiese como la fuerza que ejerce sobre la unidad de
Figura 3
tubo a I vaciacuteo
caacutetodo aacutenodo
E +
+
+
+
10 cm
1 kV 1 kV
r- 1000000 voltios--1 +
carga positiva situada entre los electrodos En este
caso particular el valor del campo eleacutectrico seriacutea 1
Vcm Ademaacutes de por su valor el campo eleacutectrico se
caracteriza por una direccioacuten y sentido que en todo
caso es perpendicular a los electrodos y dirigido hacia
el caacutetodo
Si n electrones se situacutean bajo la accioacuten de un campo
eleacutectrico se ejerce sobre ellos una fuerza en sentido
contrario al campo eleacutectrico como se observa en la
Figura 3 Por accioacuten de la fuerza indicada aumenta su
energiacutea en este caso particular la energiacutea total ganada
al paso del caacutetodo al aacutenodo es n electroacuten-voltios (eV)
y si la distancia entre los electrodos es 1 la intensidad
del campo seriacutea ne V1
Es evidente que la energiacutea de los electrones acelerados
soacutelo depende de la diferencia de potencial entre los
electrodos y que el valor del campo eleacutectrico depende
ademaacutes de la diferencia de potencial de la distancia
entre ellos
3 Un Acelerador Lineal teoacuteri co
A partir de un dispositivo tan simple como el expuesshy
to con anterioridad podriacutea disentildearse de una forma
teoacuterica un Acelerador Lineal de Electrones (Fig4)
En primer lugar el caacutetodo se sustituye por un filamenshy
to interpuesto en un circuito alimentado por una bateshy
riacutea B Posteriormente una bateriacutea teoacuterica de A MV se
conecta entre el aacutenodo y el caacutetodo En tal caso los
electrones generados al ponerse incandescente el fila-
Figura 4
tubo al vaciacuteo laacutemina de metalfilamento I ventana (aacutenodo)
~ e J- -shy
B haz de
iexcl-- electrones
I IA MV BateriacuteaI I
---
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento I ventana (aacutenodo)
t-- --
B L
e - haz
--- de ~aYosx
1 blanco de
I I tungstenoMV BateriaI I
mento se aceleran por la diferencia de potencial creashyda de manera que cuando alcanzan al aacutenodo su enershygiacutea seraacute de A Me V
El polo positivo o aacutenodo estaacute constituido por una laacutemina fina de metal (ventana) que mantiene el vaciacuteo
necesario en el tubo de aceleracioacuten y permite que los electrones la atraviesen perdiendo soacutelo una pequentildea energiacutea y logrando de esta manera un haz de elecshytrones de una energiacutea ligeramente maacutes pequentildea que A MeV
Para obtener un haz de Rayos X se interpone un laquoblancoraquo de nuacutemero atoacutemico elevado (tungsteno) en
la trayectoria del haz de electrones emergente del aacutenodo (Fig 5) Por los fenoacutemenos de interaccioacuten de
los electrones en el blanco y en especial por el efecto de frenado o laquoBremsshtralungraquo se produce una haz de fotones (Rayos X)
Estos Rayos X tienen una energiacutea variable desde O hasta A MeV ya que aunque originalmente son generados todos por electrones de A MeV eacutestos pueden ceder su energiacutea en una sola colisioacuten o en colisiones sucesivas El resultado es que se produce un haz de Rayos X de un espectro continuo cuya energiacutea maacutexima es de A Me V en tal caso se dice por convenio que su energiacutea es de A MV entenshydiendo por tanto que cuando en la expresioacuten MeV se elimina la laquoeraquo es la notacioacuten con que se designa
la energiacutea de un haz de Rayos X generado por un haz de electrones
Al tratarse de alta tensioacuten la bateriacutea se sustituye por un generador de corriente alterna
tubo al vaciacuteo laacutemina de metal
filamento ventana (aacutenodo)
eshy bull bull haz
B
-blanco de
+ generador alterna 1----- tungsteno
-----------+
h gllld 6
A tiacutetulo de ejemplo la corriente eleacutectrica de uso
domeacutestico tiene una frecuencia de 50 Hz Y por tanto su polaridad cambia 50 veces en un segundo Las ondas de radio tienen una frecuencia de lMHz y la alta tensioacuten de un acelerador lineal puede llegar a 3000 MHz que es el rango de frecuencia de las
microondas
Analicemos pues queacute sucede con el Acelerador Lineal elemental disentildeado cuando se alimenta con un generashydor de corriente alterna (Fig 6)
Cuando el laquoblancoraquo es eleacutectricamente positivo y el filamento negativo los electrones parten del filamento y son acelerados hasta alcanzar el blanco Cuando el voltaje cambia de polaridad y por tanto cambia el sentido del campo eleacutectrico laquoEraquo los electrones emitishy
dos por el filamento no son acelerados hacia el laquoblancoraquo
4 Un Jcelerador I in ca l rea l
Es evidente que para lograr un haz de electrones o Rayos X que puedan ser utilizados en radioterapia (RT) el dispositivo no es tan simple como el que se ha descrito de una forma teoacuterica en el apartado anteshy
rior De hecho y sin contar con los sistemas de segushyridad y control necesarios el disponer de un generashydor de alta tensioacuten que pueda alcanzar los valores requeridos es praacutecticamente inviable Es por esto por lo que el sistema de aceleracioacuten de los electrones se realiza mediante la accioacuten de microondas de alta potencia
51
I CELF RAOO RE S DE PARTiacute CUL AS
Las microondas son ondas electromagneacuteticas que
implican la existencia de un campo eleacutectrico y magneacuteshy
tico perpendiculares entre siacute y variables seguacuten una ley
sinusoidal y que se desplaza en el espacio con la veloshy
cidad de la luz (e) Lo que las diferencia de otro tipo
de ondas electromagneacuteticas es su frecuencia en partishy
cular las utilizadas en un Acelerador Lineal de
Electrones alcanzan una frecuencia de 3000 MHZ
El mecanismo de aceleracioacuten de los electrones por efecto
de las microondas consiste baacutesicamente en una cesioacuten
de energiacutea de un haz de microondas de alta potencia a un
paquete de electrones Este efecto se produce en el inteshy
rior de un dispositivo que se expondraacute posteriormente y
que se denomina seccioacuten de aceleracioacuten El proceso de
aceleracioacuten se produce en tres etapas
La primera etapa consiste en que el caacutetodo inyecta
electrones con una cierta velocidad inicial a la seccioacuten
de aceleracioacuten
La segunda etapa sucede en la primera seccioacuten de aceshy
leracioacuten y se caracteriza por el incremento de velocidad
de los electrones acompantildeado de una ganancia contishy
nua de energiacutea a costa de la energiacutea de las microondas
Una vez que la velocidad de los electrones alcanza un
valor cercano a laquocraquo (velocidad de la luz) comienza la
uacuteltima etapa en la que los electrones entran en la
zona relativista
Para analizar de una forma baacutesica este proceso se
emplean las expresiones que muestran la masa relatishy
vista en funcioacuten de la velocidad
(31)m = (l-wr+mo
Donde g es la relacioacuten entre la velocidad del electroacuten
y la velocidad de la luz laquoCraquo mo es la masa en reposo
del electroacuten y m es la masa a la velocidad v
La ganancia de masa de los electrones por aumento de
la velocidad implica un aumento de energiacutea cineacutetica
de los electrones que es proporcional a la diferencia
de masas (m-mo) seguacuten la siguiente ecuacioacuten
(32)
Seguacuten estas expresiones para la energiacutea con que son
inyectados los electrones por el cantildeoacuten a la seccioacuten de
aceleracioacuten (unos 25 eV) su velocidad es aproximadashy
mente 041 de la velocidad de la luz Electrones de
una energiacutea de 1 MeV y 5 MeV tienen velocidades de
094 c y 099 c respectivamente
Es de hacer notar que para un aumento de 1 a 5 MeV
de energiacutea la velocidad no variacutea maacutes de un 6 y que
posteriormente al aumentar la energiacutea por encima de
5 MeV la velocidad permanece praacutecticamente consshy
tante ya que nunca puede superar la velocidad de la
luz por lo que el aumento de energiacutea se corresponde
con un aumento de la masa
4 l EstudIO de estructuras de aceleracioacuten de electrones
En la Figura 7 se muestra un esquema de los diferenshy
tes componentes que intervienen en el proceso de aceshy
leracioacuten de los electrones en un Acelerador Lineal que
se describen a continuacioacuten
411 CHl1oacuten de deClrollCS
Es un recipiente cerrado en general de forma ciliacutendrishy
ca en el que existe un alto grado de vaciacuteo En eacutel se
localiza el filamento o caacutetodo que se pone incandesshy
cente al intercalarlo en un circuito alimentado por un
generador de corriente En el otro extremo se coloca
una rejilla que actuacutea como aacutenodo
Entre el aacutenodo y el caacutetodo se establece una alta tenshy
sioacuten pulsada suministrada por el modulador que
puede alcanzar los 25 Kv
Esta distribucioacuten de elementos hace que los electroshy
nes generados en el filamento se aceleren hasta
alcanzar una energiacutea de unos 25 Ke V Ademaacutes geneshy
ralmente en los aceleradores lineales de uso meacutedico
el haz de electrones emergente no es continuo sino
en forma de paquetes o pulsos de una duracioacuten de
unos 5 J-lS y con una frecuencia de unos 200 impulshy
sos por segundo
Los paquetes de electrones generados se inyectan en
la seccioacuten de aceleracioacuten situada contigua al cantildeoacuten
52