CICLOTRON, CICLOTRON, ESPECTROMETRO Y ESPECTROMETRO Y MONOCROMADORMONOCROMADOR

JUAN DAVID CORCHUELO MORENO

CICLOTRONCICLOTRON Creado por Ernesto Orlando Creado por Ernesto Orlando

Lawrence (1901-1958) en 1931Lawrence (1901-1958) en 1931

El ciclotrón permitió producir El ciclotrón permitió producir artificialmente mas de 300 artificialmente mas de 300 substancias radioactivas . Elementos substancias radioactivas . Elementos artificiales como: radiofósforo, artificiales como: radiofósforo, radiosodio podían darse a un radiosodio podían darse a un paciente y seguir su trayectoria paciente y seguir su trayectoria dentro del cuerpo gracias a la dentro del cuerpo gracias a la emisión de rayos gamma de gran emisión de rayos gamma de gran velocidad que despiden. Estas velocidad que despiden. Estas experiencias resultaron de mucha experiencias resultaron de mucha importancia en la lucha contra el importancia en la lucha contra el cáncer.cáncer.

Es un acelerador de Es un acelerador de partículas circular partículas circular que, mediante la que, mediante la aplicación combinada aplicación combinada de un campo eléctrico de un campo eléctrico oscilante y otro oscilante y otro magnético consigue magnético consigue acelerar los iones acelerar los iones haciéndolos girar en haciéndolos girar en órbitas de radio y órbitas de radio y energía crecientes.energía crecientes.

DEFINICIÓNDEFINICIÓN

Se basa en que el Se basa en que el periodo de rotación de periodo de rotación de una partícula cargada una partícula cargada en el interior de un en el interior de un campo magnético campo magnético uniforme es uniforme es independiente del radio independiente del radio y de la velocidad:y de la velocidad:

De este modo, las partículas cargadas se introducen en un De este modo, las partículas cargadas se introducen en un dispositivo con forma de “D” y son aceleradas con un dispositivo con forma de “D” y son aceleradas con un voltaje alterno de frecuencia exactamente igual a voltaje alterno de frecuencia exactamente igual a ωωc. c. A A

cada mitad de vuelta la “D” contraria cambia de polaridad cada mitad de vuelta la “D” contraria cambia de polaridad comunicando a la partícula una energía qcomunicando a la partícula una energía qΔΔV. La velocidad V. La velocidad de la partícula crece de ese modo adquiriendo un valor de la partícula crece de ese modo adquiriendo un valor v v = ωr= ωr igual a: igual a:

FUNCIONAMIENTOFUNCIONAMIENTO El ciclotrón tiene dos placas. La partícula cargada se El ciclotrón tiene dos placas. La partícula cargada se

acelera entre ellas, llega a la placa que la atrae, la acelera entre ellas, llega a la placa que la atrae, la atraviesa y entonces se encuentra con un intenso campo atraviesa y entonces se encuentra con un intenso campo magnético que la hace girar.magnético que la hace girar.

La partícula entonces realiza una curva muy cerrada hasta La partícula entonces realiza una curva muy cerrada hasta que vuelve a la placa que había atravesado. Mientras se que vuelve a la placa que había atravesado. Mientras se ha cambiado la polaridad de las dos placas: ahora el ha cambiado la polaridad de las dos placas: ahora el electrodo que lo atrajo lo repele, y al revés. De modo que electrodo que lo atrajo lo repele, y al revés. De modo que la partícula atraviesa de nuevo el tubo, pero ahora en la partícula atraviesa de nuevo el tubo, pero ahora en sentido contrario al inicial y más rápido que la primera vez. sentido contrario al inicial y más rápido que la primera vez. Cuando sale por el otro lado, se encuentra con un campo Cuando sale por el otro lado, se encuentra con un campo magnético que la hace girar y vuelve a realizar el camino magnético que la hace girar y vuelve a realizar el camino en sentido contrario.en sentido contrario.

Cada vez que la partícula realiza el recorrido, gira y vuelve, Cada vez que la partícula realiza el recorrido, gira y vuelve, se mueve más y más rápido de modo que la curva que se mueve más y más rápido de modo que la curva que realiza es cada vez más (una espiral), hasta que llega un realiza es cada vez más (una espiral), hasta que llega un momento en el que no puede acelerarse más o se saldría momento en el que no puede acelerarse más o se saldría del aparato: en este momento se hace que salga del aparato: en este momento se hace que salga definitivamente, tras haber recorrido el tubo muchas veces definitivamente, tras haber recorrido el tubo muchas veces y moverse muy rápidoy moverse muy rápido

APLICACIONES APLICACIONES Medicina nuclearMedicina nuclear Identifica presencia de células tumoralesIdentifica presencia de células tumorales Facilita la investigación para el tratamiento del cáncerFacilita la investigación para el tratamiento del cáncer Producción de radioisótopos necesarios para las Producción de radioisótopos necesarios para las

exploraciones con la técnica de tomografía de emisión de exploraciones con la técnica de tomografía de emisión de positrones (PET)positrones (PET)

Técnicas de irradiación con protones de materiales de Técnicas de irradiación con protones de materiales de interés tecnológico y/o biológico para estudios de daño por interés tecnológico y/o biológico para estudios de daño por irradiación e implantación iónica.irradiación e implantación iónica.

Exploraciones de pacientes por técnica PETExploraciones de pacientes por técnica PET Estudio y desarrollo de nuevos fármacos para la técnica Estudio y desarrollo de nuevos fármacos para la técnica

PETPET

ESPECTROMETROESPECTROMETRO

El fenómeno de emisión de El fenómeno de emisión de iones fue observado por iones fue observado por primera vez a comienzos del primera vez a comienzos del siglo XX. El primer siglo XX. El primer instrumento similar a un instrumento similar a un espectrómetro de masas fue espectrómetro de masas fue descrito en 1899 por J.J. descrito en 1899 por J.J. Thomson. En 1918 y 1919 Thomson. En 1918 y 1919 A.J. Dempster y F.W. Aston A.J. Dempster y F.W. Aston construyeron los primeros construyeron los primeros instrumentos capaces de instrumentos capaces de actuar como un actuar como un espectrómetro de masas.espectrómetro de masas.

DEFINICIÓNDEFINICIÓN

Es un dispositivo que separa iones que tienen la misma Es un dispositivo que separa iones que tienen la misma velocidad. Después de atravesar las rendijas, los iones velocidad. Después de atravesar las rendijas, los iones pasan por un selector de velocidades, una región en la que pasan por un selector de velocidades, una región en la que existe un campo eléctrico y otro magnético cruzados.existe un campo eléctrico y otro magnético cruzados.

Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en una región donde el campo magnético les obliga a una región donde el campo magnético les obliga a describir una trayectoria circular. El radio de la órbita es describir una trayectoria circular. El radio de la órbita es proporcional a la masa, por lo que los iones de distinta proporcional a la masa, por lo que los iones de distinta masa impactan en lugares diferentes de la placa.masa impactan en lugares diferentes de la placa.

COMPONENTESCOMPONENTES

Fuente de ionización:Fuente de ionización: elemento que ioniza el material a ser elemento que ioniza el material a ser analizado.analizado.

Analizador de masa:Analizador de masa: Es la pieza más flexible, utiliza un Es la pieza más flexible, utiliza un campo eléctrico o magnético para efectuar la trayectoria o campo eléctrico o magnético para efectuar la trayectoria o la velocidad de las partículas cargadas de una cierta la velocidad de las partículas cargadas de una cierta manera.manera.

Detector:Detector: Registra la carga inducida o la corriente Registra la carga inducida o la corriente producida cuando un ion pasa cerca o golpea una producida cuando un ion pasa cerca o golpea una superficie superficie

FUNCIONAMIENTOFUNCIONAMIENTO

Si por ejemplo se vaporiza NaCl y se analizan los iones en Si por ejemplo se vaporiza NaCl y se analizan los iones en la primera parte del espectrómetro de masa; esto produce la primera parte del espectrómetro de masa; esto produce iones de sodio y de cloro que tienen pesos moleculares iones de sodio y de cloro que tienen pesos moleculares específicos. Estos iones tienen una carga que significa que específicos. Estos iones tienen una carga que significa que debido a ella tendrán movimiento bajo influencia de un debido a ella tendrán movimiento bajo influencia de un determinado campo eléctrico. determinado campo eléctrico.

Estos iones se envían a un compartimiento de aceleración Estos iones se envían a un compartimiento de aceleración y se pasan a través de una lámina metálica. Se aplica un y se pasan a través de una lámina metálica. Se aplica un campo magnético a un lado del compartimiento que atrae campo magnético a un lado del compartimiento que atrae a cada uno de los iones con la misma fuerza y se los a cada uno de los iones con la misma fuerza y se los desvía sobre un detector.desvía sobre un detector.

Los iones más ligeros se desviarán más que los pesados Los iones más ligeros se desviarán más que los pesados porque tienen menos masa. El detector mide cuán lejos se porque tienen menos masa. El detector mide cuán lejos se ha desviado cada ion y a partir de ese dato se calcula el ha desviado cada ion y a partir de ese dato se calcula el “cociente masa por unidad de carga”, determinando con “cociente masa por unidad de carga”, determinando con certeza la composición química de la muestra original.certeza la composición química de la muestra original.

APLICACIONESAPLICACIONES

Química forenseQuímica forense Metabolismo de los fármacosMetabolismo de los fármacos Caracterización de aromas, de proteínas de vinos, de Caracterización de aromas, de proteínas de vinos, de

lacas, de pinturas.lacas, de pinturas. Análisis de procesos industriales, control de calidad de Análisis de procesos industriales, control de calidad de

productos de química fina e industrias farmacéuticasproductos de química fina e industrias farmacéuticas Estudios de contaminación de medio ambienteEstudios de contaminación de medio ambiente Análisis en hidrología, meteorología, geología, bioquímica, Análisis en hidrología, meteorología, geología, bioquímica,

agricultura y alimentación, biomedicina e industria nuclear.agricultura y alimentación, biomedicina e industria nuclear.

MONOCROMADORMONOCROMADOR Componentes de un espectrómetroComponentes de un espectrómetro

3 41 2

a) b)

1. Fuente de radiación

2. Sistema óptico

a) Sistema para dirigir la radiación

b) Sistema de aislamiento de la longitud de onda (Monocromador)

3. Recipiente para la muestra

4. Sistema de detección

MONOCROMADOR DE PRISMAMONOCROMADOR DE PRISMA

El elemento dispersante es un prisma óptico que debido al fenómeno de la refracción y en particular a su dependencia con λ (dispersión refractiva) separa las distintas λ con distintos ángulos

DISPERSIÓN ANGULAR

MONOCROMADOR DE REDMONOCROMADOR DE RED

El elemento dispersante es una red de transmisión o El elemento dispersante es una red de transmisión o reflexión que debido al fenómeno de la difracción reflexión que debido al fenómeno de la difracción separa las distintas separa las distintas λλ con distintos ángulos con distintos ángulos

DISPERSIÓN LINEAL