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RESUMEN
En este artículo de revisión se da a conocer el principio de funcionamiento de
dos técnicas nucleares modernas: el análisis de reacción nuclear (NRA) y la
emisión de rayos γ inducidos por partículas (PIGE). También se mencionan ven-
tajas como la alta sensibilidad y desventajas como la dificultad de interpretar
sus espectros. Además, se revisan aplicaciones en donde varios autores han de-
sarrollado tr
abajos de investigación y se da un resumen sobre lo que se espera
de la técnica dentro de los próximos años. Todo esto, con el objetivo de sinte-
tizar los aspectos más importantes de ambas. Así, sirve de ayuda para aquellos
que desconocen NRA y PIGE o que se encuentran evaluando la posibilidad y
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS
γ
INDUCIDOS POR
PARTÍCULAS (PIGE)
NUCLEAR REACTION ANALYSIS (NRA) AND PARTICLE
INDUCED
γ
EMISSION (PIGE)
Bruna Salgado G.
1
Recibido: 22 de septiembre 2019 / Aceptado: 25 de noviembre 2019
DOI: 10.26807/ia.v8i1.117
Palabras clave: emisión, partículas, rayos gamma, reacción nuclear
Keywords: emission, gamma rays, nuclear reaction, particles
1 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Quito, Ecuador,
(*correspondencia: bruna.salgado.gaspar@hotmail.com)
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38
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factibilidad de aplicarlas. Varios investigadores, que trabajan con las técnicas
mencionadas, afirman que los principales factores a tomar en cuenta en una
identificación elemental son: la intensidad en la energía del haz, la sección trans-
versal donde ocurre la reacción nuclear, la barrera de Coulomb a superar, el
tiempo de exposición y, la cantidad y distribución de los átomos en la muestra.
ABSTRACT
In this review article, the operation principle of two modern nuclear techniques
is explained: nuclear reaction analysis (NRA) and the emission of γ-induced
particles (PIGE).
Advantages such as high sensitivity and disadvantages such as
the difficulty of interpreting their spectra are also mentioned. Furthermore, a
review of the applications where several authors have developed research pa-
pers is included. Finally, there's a summary of what is expected of the technique
in the
years to come. All this, with the aim of synthesizing the most important
aspects of both techniques, being helpful for those who have low knowledge
of NRA and PIGE or who are evaluating the possibility and viability of applying
them. Several researchers who operate with the previously mentioned techni-
ques claim that the main factors to be considered in an elementary identification
are: intensity in the energy of the beam, cross section where the nuclear reaction
occurs, Coulumb
barrier to overcome, time of exposure, and the number and
distribution of the atoms in the sample.
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Dada la necesidad de analizar ele-
mentos livianos, como el hidrógeno
o el flúor, que no pueden ser detec-
tados por otras técnicas nucleares,
surge el análisis de reacción nuclear
(NRA) en conjunto con la emisión de
rayos γ inducidos por partículas
(PIGE). Las técnicas mencionadas in-
volucran reacciones nucleares y ci-
nemática de baja energía. Cuando
los átomos de bajo número atómico
que se pretende estudiar son irradia-
dos con
un haz de iones o partículas
aceleradas (protones, deuterones o
partículas α) en condiciones de reso-
nancia, se logra superar la barrera de
Coulomb (Verma, 2007). Esta barrera
de Coulomb se entiende como una
repulsión entre el núcleo del objetivo
y el haz de partículas. Cuando el haz
es acelerado a bajas energías, solo
los elementos livianos logran superar
dicha repulsión (Rangel, et al., 2016).
Entre las
partículas y el objetivo ocu-
rre una reacción que resulta en nú-
cleos excitados. Para poder estabi-
lizarse, dichos núcleos liberan la
energía acumulada a manera de par-
tículas secundarias o rayos γ. La ener-
gía emitida por los productos de
reacción se relaciona con la energía
de los átomos iniciales y la señal que
se detecta permite identificar a los
átomos de interés presentes
en una
muestra sólida (V
erma, 2007).
a+X →X*→Y+b+nγ
Dado que la vida media de los nú-
cleos resultantes es muy pequeña, la
emisión ocurre enseguida. Por este
motivo, la medición de los productos
de reacción debe realizarse de ma-
nera simultánea al bombardeo de
iones o partículas (Benka, 2011). Em-
plear bajas energías de aceleración
en el haz de partículas es esencial
porque, caso contrario, el ruido de
las mediciones incrementa de lo con-
trario
incrementa el ruido de las me-
diciones (Yamamoto, et al., 2003).
Existe una relación entre la energía
de los átomos iniciales y la señal ob-
tenida, ya que los estados excitados
producidos presentan una distribu-
ción angular orientada, característica
del tipo de reacción nuclear. (Rangel,
et al., 2016).
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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INTRODUCCIÓN
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Algunas reacciones nucleares presen-
tan una resonancia aguda en la sec-
ción transversal de ciertas energías,
lo cual puede aprovecharse para ob-
tener escalas de profundidad y medir
la concentración de impurezas en su-
perficies. La relación entre dichas
energías y la profundidad se encuen-
tra ejemplificada en la parte inferior
de la Figura 1 (Verma, 2007).
La energía detectada en las partículas
resultantes a determinada profundi-
dad depende de la relación entre la
energía de las partículas en el haz y
el camino recorrido por las partículas
emitidas. Cuando una reacción ocu-
rre cerca de la superficie de la mues-
tra, se detectan partículas con mayor
energía que cuando la reacción ocu-
rre a una mayor profundidad (Kriv-
chitch, et al. 2007).
Figura 2. Ecuación cinemática de la re-
lación energía-profundidad para una
reacción (p,
α
) (Krivchitch, et al. 2007)
Figura 1. Fenómeno de la emisión de rayos γ
inducidos por partículas (Verma, 2007)
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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Se debe tomar en cuenta que Ep(0)
representa la energía incidente de los
protones, Ep(t) representa la energía
de los protones a una profundidad t1
y Sp(t) representa el poder de deten-
ción de la sustancia ante los protones
(Krivchitch, et al. 2007). En otras pa-
labras, la intensidad de la radiación
se ve ligeramente atenuada dentro
del material (Rangel, et al., 2016).
La pérdida de energía se puede de-
terminar incrementando discreta-
mente las resonancias nucleares
cercanas
a la energía inicial (Schulz,
et al., 2017). Por lo general, los ele-
mentos livianos son aquellos cuyas
reacciones nucleares llevan seccio-
nes transversales lo suficientemente
grandes como para obtener las con-
diciones de resonancia necesarias
(Verma, 2007).
La emisión de rayos γ inducidos por
partículas o PIGE tiene el mismo
principio que el análisis de reacción
nuclear o
NRA, sin embargo, solo se
consideran las reacciones donde las
partículas aceleradas del haz son
protones y la energía emitida por los
núcleos excitados son rayos γ, es
decir, reacciones tipo: (p, γ), (p, pγ) y
(p, αγ). Los rayos gamma que son de-
tectados pueden aparecer por sí solos
o combinados con otros protones y
partículas α. En algunas reacciones
específicas, es po
sible producir un
nuevo
isótopo β
-
para que decaiga a
un estado excitado de otro núcleo
con número atómico igual a Z-1 que
también emitirá radiación gamma
(Rangel, et al., 2016). Generalmente,
se aplica el PIGE para complementar
al PIXE (emisión de rayos X inducido
por protones), otra técnica nuclear
que se ha vuelto referencial en los úl-
timos años. Ambas llevan una instru-
mentación similar, pero el PIXE es
más sensible a los elementos pesa-
dos, mientras que el PIGE presenta
mayor sensibilidad hacia elementos
ligeros como
litio, boro, flúor, sodio,
carbono y aluminio. Considerando
todo lo anterior, se puede afirmar que
los factores más importantes de los
que depende PIGE para realizar una
identificación elemental son: la in-
tensidad y energía del haz, la sección
transversal de la reacción, la barrera
de Coulomb que se debe superar, y
el número y la distribución de los
átomos presentes
en la muestra (Ma-
teus, et al., 2007).
Al analizar la cinética de una reac-
ción nuclear se toman en cuenta cua-
41
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tro tipos de energías: la energía ciné-
tica de la partícula impactante, la
energía cinética de la partícula dis-
persante, la energía cinética del
átomo en retroceso y aquella que se
sustrae, es decir, la energía de los
rayos gamma inducidos. Cuando la
sumatoria de dichas energías es
menor a cero, la reacción nuclear es
del tipo endotérmica, mientras que
cuando la sumatoria de dichas ener-
gías es
mayor a cero, la reacción nu-
clear es exotérmica (Verma, 2007).
En este artículo de revisión, se va a
explicar de manera general la meto-
dología empleada en los análisis de
NRA y PIGE. También se van a ejem-
plificar resultados de diversas aplica-
ciones y, además, se discutirán sus
ventajas y desventajas en base a todo
lo expuesto previamente. Todo con el
objetivo de sintetizar el conoci-
miento básico
de ambas técnicas nu-
cleares.
MÉTODOLOGÍA
Preparación de las muestras
Tras recolectar las muestras se pro-
cede a la preparación de las mismas.
El tipo de preparación depende de
varios factores como: el estado de
agregación, el tamaño, la composi-
ción, y el tipo de analito que se desea
estudiar. En muestras sólidas, como
dientes o diamantes, se corta por sec-
ciones a lo largo del plano vertical y
se pule para obtener una superficie
lisa de aproximadamente 1 milímetro
de espesor
. En algunos casos, depen-
diendo del analito en cuestión, se
puede enjuagar con agua destilada y
secar a temperatura ambiente en una
habitación limpia. Cada muestra
debe ser almacenada en un compar-
timento individual (Carvalho, et al.,
2001).
Para papeles y textiles se procede a
recortar pedazos de 2 cm
2
utilizando
tijeras lavadas en metanol. Em-
pleando cinta adhesiva, se pueden
adherir los pedazos sobre soportes de
acero inoxidable que lleven un agu-
jero de 1 cm
2
en la mitad. Si se em-
plea un haz de protones, el grosor de
la muestra puede entrar en el rango
de 0,05 y 0,2 mm (Ritter, et al.,
2017).
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Las partículas del aire pueden reco-
gerse en filtros, pero es difícil la ob-
tención de superficies homogéneas
(Mateus, et al., 2006). En el caso de
muestras pulverizadas, pigmentos,
pinturas y aerosoles, se pueden sus-
pender y esparcir sobre superficies a
imitar. Lo importante es que el pig-
mento, o incluso la pintura, tenga un
espesor de mínimo 100 micrómetros
(Grassi, et al., 2004).
Preparación de estándares
Típicamente, los estándares son
cons truidos por deposición electro-
química en sustratos de sílice o por
oxidación de tantalio/aluminio. Se
emplea agua enriquecida isotópica-
mente o gas oxígeno al 90 %. Para
evitar que el film preparado quede
expuesto al
medio ambiente, se pue -
de recubrir con una capa de un óxido
similar que contenga oxígeno en su
abundancia isotópica natural, es
decir, 99,758 % de
16
O, 0,204 % de
18
O, y 0,037 % de
17
O (Pitthan, et al.,
2014). Cabe mencionar que no en
todos los casos se utilizan estándares.
Análisis de reacción nuclear
La técnica experimental básica gira
en torno al uso de un acelerador, un
sistema de transporte, el haz radiante,
una cámara de dispersión, detectores
y circuitos electrónicos (Verma,
2007).
Los aceleradores de partículas más
comunes son los electrostáticos, que
so
n aquellos basados en la produc-
ción y amplificación de voltaje. El ge-
nerador de voltaje consiste de una
cinta continua que transporta las car-
gas electrostáticas provenientes de la
fuente de alimentación hasta un ter-
minal hueco. Un elevado potencial
se mantiene mediante una carga que
fluye de manera continua de vuelta
hacia la fuente a través de un divisor
de voltaje de muy alta resistencia. Un
haz de
iones positivos es extraído de
la cámara con un oscilador RF de gas
ionizado dentro del terminal. Los
iones positivos son acelerados a tra-
vés de un tubo y direccionados al ob-
jetivo. Este tipo de aceleradores se
encuentran montados dentro de tan-
ques que deben contener un gas ais-
lante a presión. Se puede emplear
hexafluoruro de azufre (SF
6
) o mez-
clas de N
2
con CO
2
(IAEA, 2000). Los
requerimientos que deben cumplir
los aceleradores para NRA son:
buena energía de resolución, facili-
43
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dad de cambiar la energía en el haz
de radiación y aseguramiento del
rango MeV (Benka, 2011).
El haz de iones o partículas (1-10
MeV) que es generado por el acele-
rador, se conduce a través de una
línea de alto vacío y es constante-
mente re-enfocado por medio de dos
pares de cuadrupolos magnéticos
antes y después de una desviación a
90º que se logra mediante un imán
deflector. Dicha desviación ocurre
con el objetivo de direccionar el haz
ha
cia la cámara de dispersión (Tes-
mer, 1995). Es importante que el nú-
mero de partículas incidentes sea
conocido a cualquier energía (Benka,
2011). Se espera que los haces de
iones se ensanchen durante el ca-
mino por efecto del aire gracias al fe-
nómeno de dispersión múltiple. El
tamaño del haz depende de la distan-
cia hacia la muestra, de la energía y
del gas aislante. La instrumentación
debe estar diseñada para disminuir
este ensanc
hamiento tanto como sea
posible (Yasuda, 2007).
La cámara de dispersión es donde se
encuentra la muestra y en algunos
casos también el detector. Debe ha-
llarse en condiciones de alto vacío
para evitar interferencias por reaccio-
nes nucleares secundarias con el
aire, el polvo y la humedad. Para di-
reccionar el puerto de salida de las
partículas se debe modificar la posi-
ci
ón de un electroimán móvil (Tes-
mer, 1995).
Generalmente, se emplean detecto-
res de estado sólido que deben ser
capaces de medir el número y la
energía de los productos de reacción.
Se suelen utilizar láminas de tapón
para evitar que las partículas disper-
sas lleguen al detector (Benka, 2011).
El detector funciona al generar una
señal eléctrica que es proporcional a
la energía de las partículas detecta-
das. Dicha señal se amplifica y se
envía a un analizador multicanal que
se encuentr
a conectado al puerto se-
rial de una computadora en donde
los datos son almacenados. En el
arreglo instrumental que se emplea
para poder obtener los espectros, el
haz incidente es horizontal y la su-
perficie de la muestra es vertical. El
haz incidente se encuentra en el
mismo plano horizontal con la línea
de detección.
El ángulo formado por
la normal a la muestra y el haz de in-
cidencia es Ө
1
y el ángulo formado
entre la normal a la muestra y la línea
44
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INFO 8-1_Maquetación 1 6/2/20 10:16 Página 44
al detector es Ө
2
(Tesmer, 1995). La
expresión que relaciona ambos ángu-
los se indica a continuación:
Ө= π – Ө
1
+ Ө
2
Para la detección de partículas carga-
das por NRA, se mide la sumatoria de
energías de acuerdo a la cinética de
la reacción. El detector debe colo-
carse en una posición y un ángulo
óptimo donde reciba la energía dis-
persada por la muestra. Como se ha
mencionado previamente, dicho án-
gulo es distinto para cada tipo de re-
acción nuclear (Tesmer
, 1995).
También se pueden combinar dos o
más detectores de silicio para deter-
minar carga (Z) y masa (A). Ésta téc-
nica es conocida como “tiempo de
vuelo” y brinda una excelente reso-
lución de profundidad, sin embargo,
requiere de un gran flujo de partícu-
las (Verma, 2007).
Emisión de rayos gamma inducidos
por partículas
Para obtener el espectro de rayos γ in-
ducidos, la fuente de iones debe
tener dos contribuciones principales:
la de
Bremsstrahlung y la de interac-
ción de Compton. Dichas contribu-
ciones emplean la radioactividad na-
tural para producir radiación con una
intensidad relativa constante, lo cual
se puede lograr mediante el recorrido
por imanes y rendijas. Para la deter-
minación de litio, boro, flúor y sodio
se emplean las siguientes reacciones
nucleares:
7
Li(p,p'γ)
7
Li,
10
B(p,αγ)
7
Be,
19
F(p,p'γ)
19
F y
23
Na(p,p'γ)
23
Na cuyas
energías de emisión de rayos γ son de
478, 429, 197 y 440 keV respectiva-
mente. Sus altos valores de sección
transversal permiten atingir el obje-
tivo de optimizar la sensibilidad de la
técnica analítica. Siempre que los
rayos gamma se encuentren entre los
productos de reacción, la detección
puede realizarse empleando un de-
tector convencional tipo NaI(Tl),
BGO o
Ge(Li) implementado al final
del sistema de vacío donde ocurre la
reacción nuclear (Mateus, et al.,
2007).
Interpretación y aseguramiento de
resultados
Si se emplean estándares, es necesa-
rio realizar análisis exhaustivos de
manera que se establezcan los pará-
metros de calibración apropiados, ya
que la composición de las muestras
45
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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puede ser muy distinta (Mateus, et
al., 2006).
Para determinar rendimiento y con-
tribución de la matriz, se pueden
emplear muestras de composición
conocida. Los límites de detección
pueden ser extrapolados a partir de
dichas mediciones y por medio del
cálculo de valores inferidos del back-
ground/fondo (Mateus, et al., 2007).
Estos límites dependen en gran me-
dida de la composición de la mues-
tr
a. Se procede graficando el rendi-
miento vs la concentración. Si se
toma en cuenta la contribución del
fondo, se grafica una línea ajustada
que traduce el valor del rendimiento
mínimo detectable en la concentra -
ción del límite. Esta conversión se
puede realizar mediante el uso de
EYRA (Emitted Ray Yield Analysis), un
código para análisis cuantitativos que
es apropiado para muestras gruesas e
intermedias. Funciona al dividir la
muestra en subcapas paralelas a su
superficie integrando las emisiones
gamma a
lo largo de la profundidad
(Mateus, et al., 2007).
La precisión en los resultados de pro-
fundidad depende de la dirección y
la energía del haz, así como también,
del tipo de integración realizado por
el software (Schulz, et al., 2017). La
sensibilidad de las técnicas tampoco
es continua, cada elemento es un
caso especial. Los límites de detec-
ción v
arían de isótopo a isótopo por
basarse en reacciones nucleares es-
pecíficas; además, no siempre se ob-
tiene la misma eficiencia de detec-
ción. Los picos de energía pueden
optimizarse por el tiempo de medida
y la exposición al haz. Pero, no hay
que olvidar que una exposición muy
larga puede resultar en daños por ra-
diación de la muestra, algo especial-
mente no
deseado en un análisis no
destructivo (obras de arte, muestras
forenses, etc.) (Rangel, et al., 2016).
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A continuación, se indican varios re-
sultados que han sido proporciona-
dos por autores e investigadores en
una gran diversidad de aplicaciones.
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Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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RESULTADOS
Tabla 1. Ejemplos de análisis realizados por medio de NRA.
La mayoría de las reacciones nucleares
se provocan con un haz de partículas alfa o deuterones
Condiciones Experimentales Resultados
Analito Matriz Partícula Reacción
Energía Precisión Incerti- Límite de
Autor Año
del haz nuclear
del haz dumbre detección
N Microcristales y
nanopartículas d
14
N(d,p
0
)
15
N
1,4
––15 ppm
Botsoa,
2018
de diamante
MeV et al.
14
N(α,p
0
)
17
O 4,0 -
> 10% 5,5–7,0 % –
Giorginis,
1994
10
B(α,p0)
13
C 5,0
et al.
11
B(α,p0)
14
C MeV
10
B(α,p1)
13
C
N Ti y Ti
6
Al
4
V
nitrurado
d
14
N(d, α
1
)
3,0
– ––
Vickridge,
1995
MeV et al.
O Obsidiana d
16
O(d, p)
17
O
1,7
– 1,9 % –
Murillo,
1998
MeV et al.
O
Aleaciones
d
16
O(d, p
0
)
17
O 2,0
– ––
Ioannidou,
2000
de cobre
16
O(d, p
1
)
17
O MeV et al.
N
B
BN films α
INFO 8-1_Maquetación 1 6/2/20 10:27 Página 47
48
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Tabla 2. Ejemplos de análisis realizados por medio de PIGE. La gran mayoría de estos
estudios son cualitativos o semicuantitativos
Condiciones Experimentales Resultados
Analito Matriz Partícula Reacción
Energía Precisión Incerti- Límite de
Autor Año
del haz nuclear
del haz dumbre detección
F Dientes p
19
F(p,α)
16
O
6,1–7,1
– ––
Yasuda,
2007
MeV et al.
Aerosoles
Na
recolectados
p
23
Na(p,p'γ) 0,44
– 5 % –
Mateus,
2006
en filtros de
23
Na MeV
et al
.
policarbonato
Esmaltes
Na dorados p
23
Na(p,p
'γ)
23
Na
0,44
– 5% –
Fonseca,
2011
antiguos
MeV et al.
El NRA se emplea principalmente
para determinar hidrógeno, carbono,
nitrógeno y oxígeno en diversas ma-
trices. El nitrógeno cargado negativa-
mente puede ser encontrado en la
superficie de diamantes y nanodia-
mantes HPHT; y este elemento puede
influir en las propiedades físicas y óp-
ticas, como el color. La técnica de
NRA ha sido exitosamente imple-
mentada en este estudio obtenién-
dose una sensibilidad de 15 ppm.
Para
esto se debe emplear un haz de
deuterones de 1,4 MeV que induzca
la reacción de
14
N(d,po)
15
N (Botsoa,
et al., 2018).
Dentro de la ciencia de materiales,
también ha sido posible aplicar el
NRA para determinar la oxidación
térmica, la cinética de crecimiento y
la difusión de siliconas en la región
de interfaz Si/SiO
2
(Verma, 2007).
Además, en películas delgadas de ni-
truro de boro, se ha podido analizar
de
manera simultánea la presencia
de nitrógeno y boro depositado. Para
esto, se toman en cuenta reacciones
de tipo (α, p) (Giorginis, et al., 1994).
Las películas delgadas de óxido ni-
truro de fósforo-litio (LiPON) han po-
dido ser caracterizadas mediante la
determinación simultánea de litio y
nitrógeno con las reacciones:
6
Li(n,
α)
3
H y
14
N(n, p)
14
C (Lamaze, et al.,
2003).
Otra aplicación bastante importante
del NRA es en la determinación de
profundidades, por
ejemplo, para el
INFO 8-1_Maquetación 1 6/2/20 10:16 Página 48
perfilado de polímeros. Dado que las
reacciones nucleares son específicas
para cada isótopo, se puede aplicar
el NRA para mezclas binarias de po-
límeros donde uno de ellos se en-
cuentre etiquetado con deuterio en
vez de hidrógeno. De esta forma, se
pueden predecir las posibles propie-
dades y el comportamiento general
del material (Verma, 2007). La deter-
minación del perfil de profundidad
del nitrógeno en capas de Ti y
Ti
6
Al
4
V nitrurado también ha sido
exitosa al emplear la reacción
14
N(d,
α
1
) (Vickridge, et al., 1995).
En el campo de la arqueología, se
han podido caracterizar muestras de
obsidiana y de aleaciones de cobre
mediante la determinación de su
concentración de oxígeno. Dicha de-
terminación permite tener una leve
idea de dónde y de qué época pro-
vienen tales antigüedades. En estos
casos, se recurre a la reacciones:
16
O(d, p
o
)
17
O y
16
O(d, p
1
)
17
O (Muri-
llo, et al. 1998; Ioannidou, et al.,
2000).
Por último, cabe mencionar un estu-
dio por NRA que ha permitido esti-
mar la tasa de producción de CO
2
por parte de un grupo animal. Para
esto, se les suministró agua enrique-
cida con
17
O a los animales y se los
devolvió a su ambiente. Muestras de
sangre fueron obtenidas al inicio y, al
cabo de varios días, la comparación
de
terminó la pérdida del trazador
isotópico
17
O mediante la reacción
de
16
O(d,n)
17
F. Dicha pérdida pudo
ser relacionada con la tasa de pro-
ducción de CO
2
, lo cual puede em-
plearse para predecir la composición
atmosférica a futuro (Verma, 2007).
PIGE por su lado, se emplea general-
mente para detectar berilio, magne-
sio, flúor, aluminio, entre otros. En las
ciencias forenses, ésta técnica se está
fomentando para la caracterización
de di
versas matrices, como residuos
de disparos, narcóticos, drogas, ali-
mentos, cabello, uñas, telas, pinturas,
metales, aleaciones, suelos, vidrios y
cerámicas. El PIGE ha resultado ser
bastante adecuado en este ámbito
debido a que las muestras forenses
requieren ser analizadas por métodos
analíticos sensibles, exactos y prefe-
riblemente no destructivos (Acharya,
et al., 2018).
Una de
las aplicaciones más impor-
tantes de la emisión de rayos γ indu-
cidos por partículas es en el campo
49
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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de la odontología para la determina-
ción de flúor en dientes. Se conoce
que una pequeña porción de flúor
aplicada en una superficie de diente
puede efectivamente prevenir las ca-
ries. Por este motivo, se incluye dicho
elemento en varios productos como
pastas dentales, e incluso en el agua
tratada. Sin embargo, no se había en-
contrado una técnica adecuada para
elucidar el fenómeno que ocurre con
el flúor en los dientes a micro-escala
ya
que la mayoría de ellas son des-
tructivas y la información se borraba
antes de concluir los experimentos.
Mediante la reacción
19
F(p,αγ)
16
O,
PIGE ha sido la única técnica que ha
permitido determinar la concentra-
ción del flúor en dientes, así como su
distribución y penetración en las ca-
vidades. El área que se ha podido
analizar es de 3 mm x 3 mm con una
profundidad de hasta 4 µm (Yasuda,
et al., 2008). Elementos ligeros como
el sodio, también han podido ser ana -
lizados cuantitativamente mediante
PIGE en muestras de aerosol recolec-
tadas de superficies finas como filtros
de policarbonatos. La ventaja de
haber escogido dicha técnica es que
ha permitido trabajar sin la necesidad
de estándares comparativos. El rendi-
miento de rayos gamma emitido
puede ser transformado a concentra-
ción mediante comparación con có-
digos específicos de alta confiabilidad
(EYRA). En este caso, los investigado-
res han encontrado cantidades de
sodio en el orden de los 100 ng/cm
2
(Mateus, et al. 2006). La técnica no
analiza únicamente elementos aisla-
dos, también se pueden determinar
pigmentos compuestos por varios ele-
mentos, como la lazurita del lapizla-
zuli (3Na
2
O.3Al
2
O
3
.6SiO
2
.2Na
2
S)
que está presente en capas delgadas
de pinturas de obras renacentistas.
Dichas obras de arte son reconocidas
como patrimonio cultural por lo que
su análisis no puede realizarse me-
diante técnicas destructivas. En la
obra Madonna dei fusi de Leonardo
da Vinci se ha podido determinar que
en las áreas de color azul, a una pro-
fundidad de hasta 7,5 µm, un 5% de
la pintura corresponde a la lazurita
(Grassi, et al., 2004).
Finalmente, es
de interés mencionar
la aplicación de PIGE para la caracte -
rización de esmaltes dorados anti-
guos. Investigadores han determina-
do la presencia de sodio en 2 tipos
de esmaltes utilizando el código
ERYA y la reacción
23
Na(p,p´γ)
23
Na.
La presencia de sodio se atribuyó a la
50
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51
adición de óxido de sodio Na
2
O, un
componente utilizado con poca fre-
cuencia para la producción de vi-
drios y cerámicas (Fonseca, et al.,
2011).
En ambas técnicas, la limitación a re-
acciones isotópicas específicas ha
podido ser aprovechada como un au-
mento en la selectividad. Es impor-
tante analizar a continuación, las
ventajas y desventajas de estos méto-
dos, para que el lector pueda evaluar
la efectividad de aplicar las técnicas
de NRA y PIGE en determinadas
muestras y condiciones.
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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DISCUSIÓN
Ventajas de NRA y PIGE
Para la determinación de elementos
ligeros presentes en muestras sólidas,
el análisis de reacción nuclear NRA
ha demostrado ser la técnica nuclear
más adecuada. Dado que las partícu-
las emitidas de los productos de re-
acción deben salir del material, el
NRA es el método más sensible a la
re
gión cercana a la superficie. Una
vez obtenido el espectro energético
de las partículas cargadas emitidas,
se puede realizar un perfil de con-
centración vs. profundidad para los
elementos seleccionados que se es-
pera encontrar en la cercanía de la
superficie de un material. La técnica
de NRA tiene una resolución de 50
Å
y una sensibilidad de 50 ppm capaz
de detectar profundidades de hasta
6 µm (Verma, 2007). Por su lado, el
atractivo que tiene el PIGE es ser una
técnica no destructiva que tiene la
capacidad de aplicarse para análisis
multielementales con una alta exac-
titud y sensibilidad (Ene, 2004) . Para
la detección de litio, boro, sodio y
flúor se han obtenido límites de de-
tección en el rango de 1 a 10 ppm
(Mateus, et al., 2007). Con una ele-
vada precisión, es posible realizar
una determinación simultánea de
carbono, oxígeno y nitrógeno; los
principales elementos estructurales
de muestr
as orgánicas y biomédicas.
Sin embargo, en este caso, es nece-
sario incrementar un haz de radia-
ción externo (Verma, 2007). Tanto el
NRA como el PIGE han sido imple-
mentados en una diversa gama de
aplicaciones en los campos de odon-
tología, medicina, mineralogía, polí-
meros, materiales y arqueología.
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InfoANALÍTICA 8(1)
Enero 2020
Desventajas de NRA y PIGE
A pesar de ser bastante útil, la técnica
del análisis de reacción nuclear no
permite la determinación de elemen-
tos pesados. Por este motivo, se suele
acudir a técnicas como PIXE y RBS.
Además, las reacciones son específi-
cas para isótopos. Esto quiere decir
que para cada isótopo de determi-
nado elemento, se debe encontrar
una reacción por separado que sea
selectiv
a y que sea capaz de superar
a la barrera de Coulomb (Verma,
2007). En cuanto al PIGE, por el
hecho de restringirse a detectar reac-
ciones donde la radiación emitida es
del tipo γ, las posibilidades de reac-
ciones nucleares son aún menores.
Para realizar un análisis mediante
PIGE, a veces se debe recurrir a la
ayuda de estándares de compara-
ción, pero este procedimiento solo
da buenos resultados cuando la ma-
tr
iz del estándar se asemeja lo sufi-
ciente a la muestra que se quiere
analizar. Dicha dificultad puede limi-
tar al número de aplicaciones de la
técnica (Mateus, et al., 2006). Otros
limitantes dentro de NRA y PIGE son
la dependencia en el tipo de partícu-
las incidentes, de la energía del haz
y de la sección transversal de cada
reacción nuclear. Al bombardear un
objetivo complejo, el número de re-
ac
ciones posibles aumenta, lo cual
puede dificultar la interpretación de
los espectros (Ene, 2004). Las radia-
ciones no deseadas, por ejemplo, la
emisión de neutrones, puede ser oca-
sionada por reacciones con deutero-
nes o partículas α (Verma, 2007).
La precisión en las profundidades de-
terminadas depende de una gran
cantidad de factores que incluyen al
funcionamiento del software en sí
(Schulz, 2017).
CONCLUSIONES
En base a el conocimiento sobre la
distribución angular de los rayos γ se
puede optimizar la posición del de-
tector de manera que se obtenga el
máximo de emisión, minimizando
tiempos de medida y previniendo
daños por radiación en la muestra
(Rangel, et al., 2016).
Para poder evitar el uso de estándares,
es necesario emplear reacciones con
secciones transversales conocidas (Fon-
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53
seca, et al., 2017). Solo mediante la
continua investigación es posible en-
riquecer el EYRA (del inglés Emitted
Radiation Yield Code) con secciones
transversales de reacciones nucleares
relevantes a lo largo de la profundi-
dad de las muestras (Fonseca, et al.,
2010).
Los principales factores que influyen
en una identificación elemental son:
la intensidad de la energía del haz, la
sección transversal de la reacción nu-
clear,
la energía de Coloumb, el nú-
mero y la distribución de átomos en
la muestra, además del tiempo de ex-
posición de la misma (Mateus, 2017).
¿Qué es lo que se espera de la NRA
y PIGE a futuro? Varios investigadores
han desarrollado formas de mejorar
las técnicas nucleares discutidas,
principalmente en el aspecto de sen-
sibilidad. La posición del detector de
rayos gamma es sumamente impor-
tante dado que las reacciones nu-
cleares tienen una distribución
angular de emisión orientada a una
dirección específica. Por este motivo,
se ha
descubierto que al modificar la
configuración del detector basándose
en la distribución angular de la reac-
ción conocida, se puede captar el
máximo de emisión gamma minimi-
zando el tiempo de medición y la
dosis de radiación requerida (Rangel,
et al., 2016). Para la determinación
de elementos presentes en aceros y
aleaciones metálicas,
se ha propues -
to seleccionar canales de reacciones
nucleares midiendo las coincidencias
neutrón-gamma específicas lo cual
ha demostrado superioridad de sen-
sibilidad en relación a otros métodos.
Como se ha podido verificar en esta
revisión bibliográfica, el análisis de
reacción nuclear con la emisión de
rayos γ inducidos por partículas es la
té
cnica nuclear más adecuada para
la detección de elementos ligeros en
superficies sólidas. Este análisis per-
mite identificar y determinar concen-
traciones cualitativa y cuantitativa-
mente, así como profundizar de ma-
nera selectiva y no destructiva. Con
el mejoramiento de ambas técnicas
en conjunto, se han ido diversifi-
cando las posibles aplicaciones y se
espera que superen a otras técnicas
analíticas en
cuestiones de sensibili-
dad, selectividad, precisión y exacti-
tud (Ene, 2004).
ANÁLISIS DE REACCIÓN NUCLEAR (NRA)
Y EMISIÓN DE RAYOS γ INDUCIDOS POR PARTÍCULAS (PIGE)
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