a2mht2016-fi-aceleradores-b

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Tabacniks, 2014, 2016
Manfredo H. Tabacniks
Instituto de Física – USP
TTéécnicas de Caracterizacnicas de Caracterizaçção de Materiais ão de Materiais 
IFUSP 4302504IFUSP 4302504
Feixes iônicos para modificaFeixes iônicos para modificaçção e ão e 
caracterizacaracterizaçção de materiaisão de materiais
Tabacniks, 2014, 2016
• Íons e fótons na matéria
• Aceleradores de íons
• Espectroscopia de raios-X
• Exercício
roteiro
Tabacniks, 2014, 2016
HaloHalo
superfície
Elétrons
secundários
• Quebras Moleculares
• Recombinação dos 
radicais
• Liberação de gases
FreamentoFreamento
EletrônicoEletrônico
E > 1 MeV Núcleo FreamentoFreamento
NuclearNuclear
E ~ keV
• Implantação dos 
íons
• Deslocamento de 
átomos da rede
Feixe iônico
Traço
Feixe de íons (MeV) na matéria (10 -14 a 10-10s)
Tabacniks, 2014, 2016
superfícieFeixe iônico
Feixe de íons (MeV) alguns valores
A
lcance R
 (~1 a 500 µm
)
~10 nm
~500 nm
D Fink
íon implantado
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Tabacniks, 2014, 2016
PROJÉTIL
IÔNICO
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
ELÉTRON 
SECUNDÁRIO Ee>100eV
TRAÇO 
SECUNDÁRIO
Ep>5 keV
TRAÇO
SECUNDÁRIO
Ep< 5keV
ÁTOMO
de RECUO 
Par e-íon
E* ~30eV
COLUNA IONIZADA 
TRAÇO PRIMÁRIO
~10 nm
elétrons secundários
10-100eV 
Adaptado de Choppin, Liljenzin e Rydberg, 
Radiochemistry and Nuclear Chemistry, 2002.
Feixe de íons (MeV) na matéria
Tabacniks, 2014, 2016
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
ELÉTRON 
SECUNDÁRIO Ee>100eV
TRAÇO 
SECUNDÁRIO
Ep>5 keV
PROJÉTIL
IÔNICO
TRAÇO
SECUNDÁRIO
Ep< 5keV
COLUNA IONIZADA 
TRAÇO PRIMÁRIO
ÁTOMO
de RECUO 
Par e-íon
E* ~30eV
~10 nm
elétrons secundários
(Delat Rays) 10-100eV
Adaptado de Choppin, Liljenzin e Rydberg, 
Radiochemistry and Nuclear Chemistry, 2002.
RBS
PIXE
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
... e seu uso para análise de materiais
NRA
FRS ou ERDA
Tabacniks, 2014, 2016
Dicionário
RBS Rutherford Backscatering Spectrometry
PIXE Particle Induced X-ray Emission
NRA Nuclear Reaction Analysis
ERDA Elastic Recoil Detection Analysis
FRS Forward Recoil Spectrometry
IBL Ion Beam Luminescence
PIGE Proton Induced Gamma ray Emission
XRF X-Ray Fluorescence
XRD X-Ray Diffraction
Tabacniks, 2014, 2016
Feixe
incidente
(MeV/u.m.a.)
Feixe
transmitido
núcleos de recuo
(FRS)
raios γ
(PIGE)
raios X
(PIXE)
luz
(IBL) íons 
espalhados
íons retro-espalhados
(RBS)
elétrons secundários
elétrons
secundários
amostra
Análise de materiais com feixes iônicos
<10µm
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Atenuação de fótons na matéria
Atenuação de íons na matéria
∆x
xe
N
N ∆−
=
.
0
µ
coeficiente de atenuação
x
dx
dE
EE ∆

−= 0'
poder de freamento
cteE =ν
0N N
cteN =0
0vE vE
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Atenuação de fótons na matéria (Absorção e espalhamento)
I0(E)
Espalhamento coerente
Elástico ou Thomson
Espalhamento incoerente
EEE ∆−= 0
Raios-X característicos
Elétrons Auger
Foto-elétrons
Efeito fotoelétrico
Absorção
µ = τ + σcoer + σincoer
Adaptado de Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
Efeito fotoelétrico
MeV1<
Tabacniks, 2014, 2016
Espalhamento para Ex = 8046 eV (Cu-Kα) em carbono
cm2/g fração
Esp.Incoerente 0,133 2,9 %
Esp.Coerente 0,231 5,1 %
Esp. Total 0,364 8,0 %
Fotoelétrico 4,15 92 %
Total 4,51
Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
Atenuação de fótons na matéria (Absorção e espalhamento)
E(keV)
4.12
)A( =λ o
Efeito fotoelétrico, τEspalhamento coerente
‘Thomson ou elástico’
Espalhamento incoerente
‘Compton ou inelástico’
µ
Tabacniks, 2014, 2016
Íons na Matéria: Carga efetiva
100% carga efetiva = Z íon (pelado)
A
da
pt
a
do
 d
e
Z
ie
gl
er
, 
19
80
N
a
st
a
si
et
al
.,
 1
99
6
Íon neutro: vp < vK
prótons
250 keV
(β ≡ v/c = 0,023)
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Tabacniks, 2014, 2016
Perda de energia (poder de freamento)
Freamento
nuclear
colisões binárias
repulsivas
em campo 
Coulombiano
parcialmente
blindado
Freamento 
eletrônico
ionizações e 
excitações
eletrônicas. 
~2-20keV 
desbaste (sputtering)
~2 eV Physical Vapour Deposition PVD
NiHe→
NiAr →
1-2 MeV/u – IBA
Se=1 MeV/µm
Sn=10 keV/µm
Tabacniks, 2014, 2016
Qual a energia transferida ?
Qual a probabilidade do evento ?
??
Ω
∆
d
d
E
σ
próxima aula
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Como se Como se 
fazfaz issoisso??
Tabacniks, 2014, 2016
Medindo a absorção de raios-X pela matéria
Tubo de raios-X
colimadores detector
monocromador
absorvedor
Leighton, Principles of Modern Physics, McGraw, 1959
Vácuo
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Tabacniks, 2014, 2016
A experiência de Rutherford (1909) 
Atirando alfas em finas folhas de ouro (0,086 µm)
http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/AtomicStructure/Rutherford-Model.html
http://myweb.usf.edu/~mhight/goldfoil.html
1/20000 eventos >90o
Experiência de Rutherford
vácuo
Fonteα 210Po
caixa de 
chumbo Au ~0,1µm
microscópio
tela cintilante
Relatado por Marsden e Geiger em 1909:
~1:20000 as “refletiam” em ângulo maior
que 90o
Ernest 
Rutherford. 
Premio Nobel 
de química
1908
Tabacniks, 2014, 2016
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sir_Ernest_Rutherfords_laboratory,_early_20th_century._%289660575343%29.jpg
O laboratório de Rutherford (~1900)
Tabacniks, 2014, 2016
Raios cósmicos: fonte natural de partículas energéticas
1GeVE
protons, 92%
>
vácuo
Tabacniks, 2014, 2016
Acelerador Cockcroft-Walton
1931 - 300 kV
Um microscópio focado numa
pequena tela cintilante é operado pelo
próprio Ernest Walton, 28 revelando a 
primeira evidência de uma
desintegração artificial: 7Li(p,α)4He
GamovGamov, em 1928, , em 1928, 
mostramostra queque umauma
partpartíículacula alfaalfa com com 
baixabaixa energiaenergia podepode
tunelartunelar a a barreirabarreira
coulombianacoulombiana e e 
penetrarpenetrar no no nnúúcleocleo..
Walton
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Tabacniks, 2014, 2016 http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cockcroftwalton/cockcroftwalton8_1.htm Tabacniks, 2014, 2016
Um acelerador eletrostático de íons
vácuo ou gás isolante
• Estrutura em vácuopara transporte do feixe (íons ou elétrons)
vácuo
E
0V
tubo acelerador
R R R R R R R RR R
K = V.q
fonte de íons
•Fonte de íons (ou de elétrons)
gerador (VDG ou CW)
V
•Fonte de alta tensão (VDG ou CW) 
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
single
tandem
relativístico
Alvarez
Videröe
RFQ
cíclico
B fixo
B var.
Síncrotron
Mícrotron
e - Síncrotron
wf - Síncrotron (γ> γT)
sf - Síncrotron (γ< γT)
Adaptado de E. Michaelis
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
Aceleradores Acelerador Pelletron tipo tandem com strippergasoso
• Tensão máxima 25MV (tandem)
• 74+ Pelletrons construídos (~35 anos) 60 U < 5MV
• 300+ aceleradores VDG da HVE
www.pelletron.com
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Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
Aceleradores
Cockcroft-Walton (1932)
• Carrega em paralelo CA e 
descarrega em série
• É a fonte em qualquer televisão
• V x I hiperbólica: baixa
corrente em alta tensão
• Ripplealto (α I/f) => f alta
• Oferece tensões intermediárias. 
(polarização de dinodos, 
fotomultiplicadoras, etc.)
Injetor de prótons do 
Fermilab (750 kV)
Fonte de AT do implantador de 
íons do IFUSP (400 kV)
Cockcroft-Walton
Tabacniks, 2014, 2016
Implantador de íons 70kV IFUSP
Fonte de íons
e plataforma de 70kV
Imã analisador
Porta amostras
Fonte de alta
tensão tipo CW
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Aceleradores
 (.AVI)
Freqüência
ciclotrônica
constante.qB
m
r
v
=
m
qB
f
π2
1
=
Limitado para cerca de 10 MeV de prótons. Acima
dessa energia, é necessário considerar o incremento
de massa dos prótons (γm). 
SincrocíclotronSincrocíclotron O maior sincrocíclotron em 
operação (Gatchina, St. 
Petesburgo) acelera prótons até
1 GeV. Pesa 10000 t. As peças
polares têm 6 m de diâmetro. 
m
qB
fRF γπ2
1
=
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Aceleradores
Freqüência
ciclotrônica
constante.qB
m
r
v
=
m
qB
fπ2
1
=
Variando o gapentre as peças polares (1960) foi
possivel reprojetar os imãs “sector focused cyclotron”
para compensar a perda de velocidade devido ao
incremento de massa, aumentar a energia e manter
constante a freqüência da fonte de RF. Sincrocíclotron
O maior cíclotron focado é o de 
Vancouver. Gera feixe de H- com 600 MeV
D. Robin. Michigan State University (2007)
Ciclotron2.AVI
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1932
1 MeV 
28 cm 1933
4.8 MeV
69 cm 1939
19 MeV
1,5m
Cíclotrons
em Berkeley
1947
195 MeV
467 cm
Particle Explosion, Close, Marten & Sutton. Oxford Univ. Press. 1987. Tabacniks, 2014, 2016
Ciclotron de 30 MeV do IPEN, em São Paulo, para fabricação de 
radioisótopos: 18F para PET, 13N, 15O, 123I, 67Ga, 201Tl.
Moderno cíclotron para produção de radioisótopos
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
cíclico
B fixo
B var.
Síncrotron
Mícrotron
Adaptado de E. Michaelis
Aceleradores
Tabacniks, 2014, 2016
Anéis de armazenamento (Acelerador Síncrotron)
O feixe (de elétrons ou íons) é injetado num anel com imãs e órbita fixa. A energia do 
feixe é aumentada (em seção aceleradora tipo cavidade ressonantede um acelerador
linear), ao mesmo tempo em que se aumenta o campo magnético dos imãs que confinam
o feixe em sua órbita. 
Ac. linear 100 MeVUma das muitas
estações experimentais
O estreito
feixe de luz é
um efeito
relativístico.
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Luz Síncrotron
Brilho de luz síncrotron
fotons(0.1%BW) /mm2/s/mrad2
sol
1011 x o brilho do Sol
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8,6 Km
França
Suiça
CERN: Large Hadron Collider, (50 + 50) GeV
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Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
cíclico
B fixo
B var.
Síncrotron
Mícrotron
Adaptado de E. Michaelis
Aceleradores
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http://www.particleadventure.org/accel_ani.html
e se linearizarmos o ciclotron ? → acelerador linear
íons podem
surfar uma
onda
caminhante
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Acelerador linear de elétrons, de 70MeV instalado em 
1967 pelo Prof. Goldemberg no IFUSP. Doado pela U. de 
Stanford, funcionou até meados de 1980. No canto à
esquerda vê-se o injetor de elétrons.
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Acelerador linear injetor do Bevatron, 
Lawrence - Berkeley, EUA
Particle Explosion, Close, Marten & Sutton. Oxford Univ. Press. 1987.
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Amaldi, U. Europhysics News, (2000) 31-6
Inventário mundial de 
aceleradores (2000)
(+15% /ano)
Categoria Número
Impantadores de íons e 
modificação de superfícies 7000
Esterilização e polimerização 1500
Aceleradores em pesquisa não 
nuclear 1000
Radioterapia 5000
Produção de Radioisótopos 200
Terapia com Hadrons 20
Fontes Síncrotron 70
Pesquisa em FN e partículas 110
total 14900
Tabacniks, 2014, 2016
Instituto de Física da USP
Laboratório Aberto de Física Nuclear
Acelerador Pelletron, 
tandem, V max = 8 MV
Imã para 
seleção de energia
Imã para
seleção de massa
Fonte de íons
sputtering de Césio, 
para feixes de H, B, 
C, O, Cl, Si...
Arranjo
experimental
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Instituto de Física da USP
Laboratório de Análises de Materiais por Feixes Iônicos - LAMFI
Câmara Multiuso
RBS, PIXE, ERDA
Câmara PIXE para
análises ambientais
Fontes de íons negativos
Alphatross e SNICS
LAMFI: Acelerador Pelletron 
tandem NEC-5SDH
1,7MV com stripper gasoso
Tabacniks, 2014, 2016
Laboratório para Análise de Materiais com Feixes Iônicos - LAMFI
PIXE
ambiental
RBS-PIXE
feixe externo
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NaI (γ)
GeHP
RX1
RX2
laser
RBS
RBS
RX1RX2
laserlaser
cam
câmara multiuso
RBS + PIXE
janela Al 8 µm amostra
Feixe Externo Multi-Analítico
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RBS – Arranjo experimental no IFUSP
feixefeixe
alvoalvo
D1D1
D2D2
50 cm
12
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PIXE - Arranjo experimental no IFUSP
colimador
de feixe
Detector 
de raios-X
Detector 
de raios-X
porta
amostras
D1, D2: detectores
T: amostra
C: colimador de feixe
F: copo de faraday.
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Métodos Analíticos
RBS Rutherford Backscattering Spectrometry
ERDA Elastic Recoil Detection Analysis
• alta sensibilidade: < 10 14 Au/cm 2
• absoluto: não necessita calibração
• perfil em profundidade ( ∆x ~ 100Å)
• rápido: 10-20 min
• sensível à topografia (tese Dr.)
PIXE Particle Induced X ray Emission
PIGE Particle Induced Gamma ray Emission
• alta sensibilidade : ppm (ou 10 14 at/cm 2)
• Z > 11 
• necessita calibração
• rápido : 10-20 min
medir todos os elementos da
tabela periódica
AMS Accelerator Mass Spectrometry
• hiper alta sensibilidade: 1: 10 14
• composição isotópica
• absoluto: não necessita calibração
Feixe externo para amostras
especiais
SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
• feixe 16O, 20 keV, 3µm
• altíssima sensibilidade: 10 12 at/cm 2
• todos elementos da tabela periódica
• mapa elementar
• imagem por elétrons retroespalhados
• semiquantitativo
• perfil em profundidade ( ∆x ~ 10 Å)