Proton-induced x-ray emission

EPS

PIXE
Emisión de rayos X inducidos por partículas
Alberto Souto Martínez Lorena Fernández Martínez Iñaqui Fernández Martínez

Índice
Páginas 1. Introducción…………………………………………………………………………………………….2 2. Descripción del método PIXE…………………………………………………………………..2 3. Ventajas e inconvenientes del método PIXE…………………………………………….5 4. Aplicaciones PIXE…………………………………………………………………………………….8 4.1Aplicaciones Medioambientales………………………………………………………..8 4.2 Aplicaciones Biología………………………………………………………………………..10 4.3 Aplicaciones Arte……………………………………………………………………………….11 4.4 Aplicaciones Arqueología…………………………………………………………………..12 4.5 Aplicaciones Odontología………………………………………………………………....16 5. Bibliografía………………………………………………………………………………………….....17

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1. Introducción.
En 1970 B.M. Gordon y H.W. Kranerdemostraron que la emisión de rayos-X inducida por iones acelerados podría ser utilizada con propósitos analíticos. Años después Sven Johansson, de la Universidad de Lund (Suecia) propuso la técnica PIXE (Proton Induced X-ray Emission) y la desarrolló junto a sus colaboradores Roland Akselsson y Thomas Johansson, llevando a cabo los primeros experimentos con fines arqueológicos usando protones comoproyectiles.

Figura 1. Sven Johansson.

2. Descripción del método PIXE.
La técnica PIXE es un método de análisis nuclear a través del cual podemos llegar a conocer la concentración de los elementos en la superficie de la muestra que estamos estudiando. Para ello, la muestra que queremos analizar es irradiada con partículas cargadas y aceleradas mediante un acelerador electrostático (acelerador deVan de Graaff), normalmente por un haz de protones de energía entre 2 y 3 MeV; por ello PIXE puede ser entendida como Protones Inducidos de Emisión de rayos-X. Los protones interaccionan con las capas de electrones y producen vacantes en dichas capas electrónicas de los átomos de la muestra, las cuales, al desexcitarse, emiten rayos-X característicos. De la teoría se puede entender, que el haz deprotones interactúa preferentemente con las capas electrónicas internas del átomo. La capa de electrones más interna se denomina capa-K, la siguiente se llama capa-L y luego vienen las capas M, N, O,… Cuando por ejemplo el electrón de la capa-K, es expulsado por el protón, aparece una vacante en la capa-K. Para mantener la energía del átomo lo más baja posible, algún electrón de la capa más externaa la K (L, M,…) se despliega para sustituir esta vacante de la capa K y emite su energía redundante en una forma de rayos-X. Como la diferencia de energía entre la capa K y L (o M, N,…) está bien definida (de acuerdo con la teoría cuántica, los electrones en órbita deben ocupar niveles de energía discretos), el rayo-X emitido tendrá una energía característica. Cuando el electrón de la capa L esexpulsado, preferentemente el electrón de la capa M tomará la posición libre y emitirá la diferencia de energía entre la capa L y M en forma de rayos-X. Cada elemento tiene un intervalo de energía diferente entre las capas de electrones y es por ello que los rayos-X originados a partir de este proceso (la interacción de protones con capas de electrones) se denominan rayos-X característicos.
3Figura 2. Interacción de protones y electrones.

Los rayos-X son recogidos por uno o varios detectores de silicio y litio (SiLi) o germanio hiperpuro (HPGe), los cuales producen señales de voltaje que son procesadas en una cadena electrónica y llevadas hasta un sistema de adquisición que nos da toda la información obtenida mediante el espectro de emisión de rayos-X de nuestra muestra. Dependiendode la composición de la muestra, la masa, el flujo de protones, la distancia a la que se encuentre la muestra del detector y la geometría, el tiempo de adquisición puede variar desde unos pocos minutos a 1 hora. En el análisis PIXE solo interactúan protones con electrones ya que la interacción de los protones con el núcleo atómico es indeseable porque genera un aumento de fondo en los espectros...