Estudio de materiales por emisión de rayos X. Método PIXE

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1 Introducción

La práctica consiste en el análisis de elementos estudiando la forma de sus

espectro de emisión X mediante la técnica PIXE (Particle induced X-Ray emisión).

1.1 Técnica PIXE.

La técnica PIXE se basa en el estudio de los rayos X emitidos por los electrones

de los átomos de la muestra cuando inciden sobre ellos iones, dándose una dispersión

inelástica entre ellos. Las vacantes dejadas por los electrones dispersados son ocupadas

por los electrones de capas superiores, dándose una reordenación de la corteza

electrónica. Esta cascada de electrones a niveles de menor energía produce una emisión

de rayos X, que nos sirven para observar el espectro de los elementos.

La radiación X emitida es característica de cada elemento. La energía emitida

por la reordenación de los electrones que caen de nivel por una vacante en el nivel K se

muestra en el espectro como un fotopico denominado Kα, Kβ, etc, siendo los subíndices

correspondientes a la capa de la que salta: la L, la M, etc, respectivamente. La

intensidad de muchas de las radiaciones emitidas para algunos elementos es tan pequeña

que en el espectro vamos a observar únicamente las correspondientes a la serie K.

Para identificar un elemento tenemos que observar todas las líneas que se

esperan. En muchos casos pueden aparecer líneas que correspondan a otro elemento,

esto puede ser debido, por ejemplo, al medio que rodea a la muestra.

Lo primero es identificar sobre el espectro las líneas K. De modo que

identificando la Kα debe aparecer su Kβ. Es muy probable que a energías superiores a

los picos K observemos picos correspondientes al apilamiento de pulsos, que se produce

cuando la intensidad de los rayos X sobre el detector es grande, haciendo que más de un


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fotón sea percibido como uno solo. Esto se corrige alejando el detector de la muestra o

bajando la corriente del haz de iones. Nos interesa es tener el menor fondo posible.

Los picos restantes, de menor energía que los K, pueden ser debidos a niveles L

o M del elemento identificado por las K, o pueden ser líneas K de elementos distintos,

ya sean impurezas o picos de escape producidos por el propio detector.

1.2 Acelerador de Partículas TÁNDEM.


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Para la producción de iones existen dos fuentes: (1) Conseguimos iones

negativos de los elementos que forman la muestra a partir del bombardeo con iones de

Cs de baja energía. Estos son sometidos a una diferencia de potencial de 50.000 V. (2)

Radiofrecuencia. En ella se inyecta un ión gaseoso, de manera que se crea un plasma de

donde se extraen los iones positivos. Este plasma se hace pasar por otro de átomos de

Rb, donde se extraen los iones negativos.

Las fuentes forman un ángulo de 15º con la dirección del tándem.

Primero se encuentra un electroimán que genera un campo magnético variable

en función de la masa del ión que queremos seleccionar para acelerar.

A continuación se suceden una serie de elementos en línea dispuestos a lo largo

del tándem, con la función de optimizar el haz. Entre ellos:

Tazas de Faraday: se introducen para controlar desde los ordenadores la

intensidad de corriente requerida.

Diagnosticador: para dar forma al haz.

Sistema de vacío: para que las partículas pierdan energía y sean frenadas.

Así partículas llegan a la cabeza del acelerador.

Anillos equipotenciales: suavizan el paso de las partículas a millones de voltios,

por pequeños saltos, siendo un proceso continuo controlándose la forma del paquete de

iones.

Lentes electrostáticas: focalizan el haz, que tiende a abrirse al repelerse los iones

entre sí.

El haz de iones negativos se acelera hasta llegar al terminal. Todo este recorrido

ha sido a alto vacío.

Stripper: transforma los iones negativos en positivos, para que sufran una

segunda aceleración con el potencial que era atractivo para los aniones. Los iones serán

n veces la diferencia de potencial acelerados; donde n es el estado de la carga del ión. Se

pueden extraer de 2 a 5 iones.

A continuación se hace la elección de la energía del haz con la que queremos

experimentar.

Triplete de cuadrupolos: cada paquete de cuatro imanes consigue focalizar en un

eje.

Electroimanes: orientan el haz, ajustando su dirección y altura, y poder

introducirlos en las cámaras por unos orificios milimétricos.

Colimador: antes de la entrada a las cámaras.

Electroimán: capaz de curvar 90º el haz. La variación en la dirección del campo

magnético altera la energía de las partículas, por lo que se debe fijar el valor del campo.


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Una vez girado el haz 90º, tenemos el:

Estabilización del terminal: formado por una doble rendija que define la

trayectoria del haz. Si las partículas llevan más energía de la cuenta, el haz se dirige a la

pared, mientras que la trayectoria correcta transcurre por el centro. También sirve para

estabilizar el terminal y que no varíe más que con kilovoltios.

Nuevo Par de cuadrupolos: para refocalizar el haz.

Imán de conmutación: selecciona el haz que va a cada cámara.

Salidas: existen siete salidas destinadas a las distintas líneas de trabajo, según el

experimento que se quiere realizar.

2 Realización de la práctica. Análisis de espectros.

2.1 Calibrado en energía

Identificamos los siguientes picos en canal con las energías correspondientes del

elemento tabuladas:

Canal Energía (KeV)

Kα (Fe) 207 6.40

Kβ (Fe) 228 7.06

Kα (Ag) 712 22.10

Kβ (Ag) 801 24.93

Lα (Au) 313 9.71

Lβ2 (Au) 371 11.58

Lγ (Au) 432 13.38

Con ello podemos realizar el calibrado en energía del detector:

Calibrado de energía

E = [(0,03110±0,00004)canal - (0,05±0,02)]KeV

R2 = 1

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000

Canales

E(K

eV

)


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2.2 Interpretación de los Espectros.

Con el calibrado en energía podemos realizar el estudio de los picos observados

en los distintos espectros.

Fe

Espectro del Fe

1

10000

100000000

0 5 10 15 20 25 30 35

E(KeV)

N

Kβ(Fe)

7,06KeV

Kα(Fe)

6,40KeV

13,41KeV

Pico Suma

Kα+Kβ

12,79KeV

Pico Suma

Kα+Kα

14,16KeV

Pico Suma

Kβ+Kβ

5,33KeV

Escape de

Kβ

4,68KeV

Escape

de Kα

1,35KeV

Ruido

Tenemos identificados los picos de los niveles Kα y Kβ del Fe, a 6.40 KeV y

7.06 KeV respectivamente. Los reales son de 6.39 KeV y 7.07 KeV.

En la zona de energía más alta aparecen los picos suma de el Kα a 12.79 KeV, el

de Kα con el Kβ a 13.41y el de Kβ a 14.16 KeV. Son la suma de la energía de dos

fotones X coincidentes en el tiempo de respuesta del detector, no pudiendo este

discriminar los pulsos, dando, pues, un pulso suma de ambos fotones.

A 5.33 y 4.68 tenemos los picos de escape del Kα y Kβ respectivamente. Estos

picos son el depósito de energía de los rayos X menos la emisión del Si del detector,

que es de 1.7 KeV.


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Ag

Espectro del Ag

1

100

10000

0 5 10 15 20 25 30 35

E (KeV)

N

Kβ de Ag

24,93 KeV

Kα de Ag

22,10 KeV

Pico Suma de

Kα+Lα2 5 , 3 6 K e V

Lβ2 de In

3,74 KeV

Lα de In

3,21 KeV

Ruido1,35

KeV

Tenemos los picos correspondientes a Kα y Kβ de la Ag a 22.10 y 24.93 KeV

respectivamente. Los valores en las tablas son de 22.101 y 24.926 KeV.

Los picos de 3.21 y 3.74 KeV no corresponden con ningún valor de emisión X

de la Ag. Los más cercanos y únicos que se aproximan son los 3.256 y 3.713 KeV de Lα

y Lβ2 del In.


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Au

Espectro del Au

1

1000

1000000

0 5 10 15 20 25 30 35

E (KeV)

N

Lγ1(Au)

13,38KeV

Lβ2(Au)

11,58KeV

Lα(Au)

9,71KeV

8,50KeV

Escape de

Lα(Tl)

1,32KeV

Ruido

Lα(Tl)

10,34KeV

Lγ2(Tl)

14,32KeV

Nos encontramos con el Lα, Lβ2 y Lγ1 del Au a 9.71, 11.58 y 13.38 KeV.

También hemos identificado como más próximos a los valores tabulados las

energías de 10.34 y 14.32 KeV como los niveles Lα y Lγ2 del Tl. Del Lα es el pico de

escape que se observa en 8.50 KeV.


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2.3 Identificación de la Muestra Problema.

Para identificar la muestra problema hemos usado la calibración en energía para

obtener las energías correspondientes a los picos de su espectro. Nos valemos de las

tablas de emisión X de los elementos para identificar los picos:

Espectro de Muetra Problema

1

1000

1000000

0 5 10 15 20 25 30 35

E(KeV)

N

9,53KeV Pico Suma

de Kα(Ti) y Kβ(Ti)

8,59KeV

Pico Suma de

Kα(Ti) y Kβ(Ca)

8,07KeV

Pico Suma de

Kβ(Ca)

7,07KeV

Kβ(Fe)

6,42KeV

Kα(Fe)

5,88KeV

5,42KeV

Escape

Kβ(Fe)

4,92KeV

Kβ(Ti)

4,52KeV

Kα(Ti)

4,02KeV

Kβ(Ca)

3,71KeV

Kα(Ca)

3,30KeV

Escape

Kβ(Ti)

1,94KeV

Escape

Kα(Ca)1,32KeV

Ruido

Observamos los picos de emisión de Kα y Kβ de tres elementos, el Fe, el Ca y el

Ti. Además se observan numerosos picos suma de los distintos picos entre sí en 8.07

KeV, 8.59 KeV y 9.53 KeV. También los correspondientes picos de escape de algunos

picos de emisión X; en 3.30 KeV, 1.94 KeV y 5.42 KeV.

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