Hace poco estuve en el acelerador de iones del Centro de Micro-Análisis de Materiales (CMAM) para hacer un experimento de tiempo de vuelo, y como no es algo que se haga todos los días prometí explicaros más del tema en un tuit… Pues bien, ha llegado el momento para los que os quedastéis con la intriga.

Panorámica del acelerador del CMAM

Como es la primera vez que os hablo de este acelerador (pero no será la última), os dejo una panorámica para los que no lo conozcáis, aunque si os animáis podéis hacer una visita guiada sin más que solicitarlo en su web.

El CMAM cuenta con un acelerador electrostático lineal (de tipo Cockcroft-Walton para los que disfrutáis con los detalles técnicos) que puede colocar hasta 5 millones de voltios en el terminal, ¡con un error de ±50V!. Está pensado para analizar y modificar materiales con haces de iones muy energéticos (en el rango de los megaelectrónvoltios, MeV). Estas energías son pequeñas en comparación con las que recordaréis de nuestra entrada del CERN, pero son suficiente para atravesar varias micras en cualquier material, y extraer la información que queremos de él.

¿Que cómo se hace eso? Pues igual que Geiger, Marsden y Rutherford en su famoso experimento del pan de oro: bombardeando el material con partículas y observando lo que les pasa al interaccionar con él. Las partículas dispersadas por el material llevan información sobre lo que hay dentro de él. En el caso del experimento del pan de oro esa información sirvió para descubrir, ni más ni menos, que la verdadera estructura del átomo. Pero el procedimiento en sí mismo es tan útil para saber de qué elementos está compuesto un material que se ha convertido en una técnica habitual para los físicos, conocida  como espectrometría de retrodispersión Rutherford (RBS); y se repite en muchos aceleradores del mundo a diario…

Técnicas complementarias de dispersión por iones

Sin embargo esta vez no íbamos a hacer RBS (de la que hablaremos en alguna otra entrada), sino su técnica complementaria: ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). Veréis, el experimento de Rutherford es muy bueno si lo que queréis detectar son átomos pesados como el Au. En ese caso conviene bombardear con iones ligeros (como He) porque la dispersión es muy eficaz entre ligero y pesado. Esto se debe a las leyes de conservación, y si pensáis en bolas de billar chocando la intuición no os fallará. Sin embargo, cuando lo que quieres ver en tu muestra son elementos ligeros, digamos carbono u oxígeno, el proceso no es nada común y te tirarías mucho tiempo para verlo. En ese caso lo ideal es bombardear con un ión pesado (por ejemplo, oro), que extraerá los elementos ligeros de nuestro material, y a ese método se le llama ERDA.

Nuestro portamuestras en el interior de la cámara de ERDA-TOF

La diferencia radica en que ahora no detectas iones dispersados por los átomos de tu muestra, sino que detectas los propios átomos de tu muestra extraídos (llega una bola pesada y saca una bola ligera). Como es lógico, en realidad detectas sólo una proporción muy pequeña de los átomos que están en tu muestra, pero sabiendo esa proporción puedes calcular el número total.

Pues bien, en nuestro experimento queríamos detectar precisamente el nitrógeno y oxígeno de nuestras láminas, así que optamos por hacer ERDA en vez de RBS. Eso sí, no hicimos cualquier experimento de ERDA sino uno con telescopio de tiempo de vuelo (o TOF por sus siglas en inglés). ¿Por qué hace falta algo así? Porque el problema de los experimentos de ERDA es que una vez que has extraído los átomos de tu muestra, ¿cómo mides su masa sin ambigüedad? La idea de ERDA-TOF es tan sencilla como brillante: mides su energía (con un detector de partículas) pero también su velocidad. Y como todo el mundo sabe la energía cinética de una partícula es Así que si sabes la energía (E) y el tiempo de vuelo (T), pues puedes determinar unívocamente su masa (M). Basta medir el tiempo porque la longitud del telescopio (L) ya la conoces, y obtener la velocidad de ahí es inmediato. Es decir, tenemos el equivalente a un espectrómetro de masas pero compacto y sin necesidad de imanes, sólo midiendo el tiempo.

Esquema de un telescopio de TOF

Lo que se hace es lo siguiente: el átomo que ha salido de la muestra atraviesa primero por una estación de medida (que es una lámina ultrafina que nos chiva que el ión ya ha pasado), llamémosla T1. Ahí ponemos el cronómetro en marcha y esperamos a que pase por la segunda estación (T2). Paramos el cronómetro y miramos su tiempo. Eso sí, tienes que tener un cronómetro realmente bueno, porque los átomos que sacas van tan rápido que su tiempo de vuelo está ¡entre 50 y 500 nanosegundos! Tu cronómetro tiene que ser bastante mejor que eso. Por último, el átomo seguirá su camino hasta morir en el detector de partículas (E), que nos dirá la energía que llevaba, y ya lo tenemos todo para calcular.

Curva universal de energía cinética frente al tiempo de vuelo de la partícula

La gran ventaja de esta técnica es que puede separar en masa todos los elementos, por lo que no hay dudas de lo que tienes en tu muestra. Los espectros se representan en un mapa de energía frente a tiempo. Y como ya habéis visto la ecuación sabréis que si representas energía cinética frente al tiempo lo que sale son… en efecto: ¡plátanos! Bueno, o por lo menos recuerda mucho a la forma de una banana; una banana por cada elemento, claro.

Telescopio de ERDA-TOF en el CMAM

En realidad el átomo que tú detectas cada vez tendrá sólo una energía y un tiempo de vuelo determinado, pero como esos átomos pueden salir de profundidades diferentes en la muestra, perderán parte de la energía, tanto a la entrada (por parte del ión incidente) como a la salida (por parte del átomo expulsado). Así, el espectro se extenderá desde energías altas (cerca de la superficie) hasta energías bajas (muy dentro de la muestra). Y, claro, si hay interrupciones es porque ese elemento falta en alguna profunidad.

Pues nada, ya sois expertos en tiempo de vuelo, así que puedo cerrar la entrada con un ejemplo de lo que puede hacer la técnica con una muestra simple, digamos que un vidrio. El vidrio es una muestra de referencia ideal para esta técnica porque contiene muchos elementos ligeros diferentes. Si sentís curiosidad por saber de qué está hecho aquí tenéis nuestro espectro (obtenido usando como proyectil yodo a 30 MeV):

Espectro de ERDA-TOF de un vidrio con las características «bananas»

Ya véis lo fácil que es responder si tienes un telescopio de TOF: ¡los iones lo ven todo! Aunque hay muchos tipos de vidrio, los componentes principales siempre son silicio y oxígeno, porque el vidrio es esencialmente sílica (dióxido de silico). Esos elementos tienen los colores más intensos (más señal), porque su concentración es más elevada que el resto. Sin embargo, podéis ver que también hay otros elementos en menor cantidad, como el sodio, y trazas de calcio y carbono.

Precioso, ¿verdad? Pues si viérais los espectros de las muestras de Mayte… =D