Emisión de Rayos X Inducida por Partículas: Física Básica y Aplicada 

Javier Miranda Departamento de Física Experimental

Contenido 

•  Introducción •  Física básica •  Física aplicada •  Conclusiones

¿Qué es PIXE? 

• Particle •  Induced • X­ray • Emission

Ion incidente 

Electrones 

Núcleo 

Fotón 

Emisión de rayos X inducida por partículas 

Vacante

¡RESULTADO! 

PIXE: ¿Darle vuelta a la manivela? 

Acelerador  PIXE 

TESIS ARTÍCULOS SNI PRIDE INVITACIONES ETC.

? PIXE 

PIXE: ¿Darle vuelta a la manivela? 

Acelerador  PIXE

FÍSICA BÁSICA  FÍSICA APLICADA 

PIXE: dos aspectos relacionados

Física Básica 

Ionización por protones de bajas 

energías 

Ionización por iones pesados

Transiciones electrónicas 

1 2 3 

1 

1 

2 

2 

3 

3 4 

4 

5 

5 

N 

M 

L 

K K  K  K 

L  L  L L  L L  L L  L  L

α α

α α β β β β

β

η γ γ

1  2  1 

1  1  1 2  2  3 3 4 l 

{ { {

Ionización con protones de bajas energías: ¿por qué? 

0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8  2.0 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

S  ECPS

SR 

x L R ξ L R

Secciones de producci Secciones de producció ón de n de rayos X L rayos X L 

3 

2 , 1 

3 2 1 1  3 23 23 12 13 ,  ) ( L 

L L L L L X  f f f f Γ

Γ + + + = α ω σ σ σ σ σ

α 

3 

15 , 2 

3 2 1 1 15 , 2  3 23 23 12 13 ,  ) ( L 

L L L L L X  f f f f Γ

Γ + + + = β

β ω σ σ σ σ σ 

2 

1 

2 1 

1 

3 , 2 

1  2 12 1 ,  ) ( L 

L L L 

L L X  f Γ Γ

+ + Γ

Γ = γ γ ω σ σ ω σ σ

γ 

2 

1 

2 1 

1 

4 , 3 

1 4 , 3 , 1  2 12 1 ,  ) ( L 

L L L 

L L X  f Γ Γ

+ + Γ

Γ = β β

β ω σ σ ω σ σ

Transiciones Coster­Kronig 

L 3 

L 1 

L 2 f 12 

f 23 

f 13

Factores Coster­Kronig 

10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  110 0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

Krause Puri et al. Experimental 

f  23 

Z

Factores Coster­Kronig 

10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  110 0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

Krause Puri et al. Experimental 

f  13 

Z J.L. Campbell, Atomic Data and Nuclear Data Tables 85 (2003) 291–315

Teorías para la sección eficaz de ionización 

•  Aproximación de encuentro binario (BEA) •  Aproximación semiclásica (SCA) •  Aproximación de onda plana de Born (PWBA) •  Teoría ECPSSR 

– Correciones de átomo unido (UA), ionización múltiple (MI), acoplamiento intracapas (IS), captura electrónica (EC)

L Lí ínea L nea L α α , ECPSSR , ECPSSR 

0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0 0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

1.1 

1.2 

1.3 

1.4 

1.5 <σ

  Exp /σ

  Teo >

ξ L R 

CW­K CW­P SC­K SC­P SA­K SA­P

A 

Acelerador de Iones  Imán 

analizador 

Copa de Faraday y Monitor de Perfil de Haz 

Detector De Rayos X 

Detector de Partículas 

Muestra 

Copa de Faraday 

Integrador de Corriente 

Electrónica Nuclear 

Analizador Multicanal 

Dispositivo experimental

Línea L α 

0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8 0.9  1 10 ­1 

10 0 

10 1 

10 2 Sección de Producción de rayos X

 L α (b

) 

Energía de los Protones (MeV) 

H + > Ag Trabajos previos Miranda et al. 2004 ECPSSR ECPSSR­MI ECPSSR­UA Reis

Secciones Eficaces Totales Líneas L 

0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8  2.0  2.2  2.4 0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

Datos Anteriores M iranda et al. 2001 M iranda et al. 2004

σ  Exp /σ  EC

PSSR

ξ L R

Comparación con modelos teóricos 

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0  2.5 0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

1.1 

1.2 

1.3 

S  Media

ξ L R 

ECPSSR ECPSSR­MI ECPSSR­UA ECPSSR­UA­MI

Emisión de rayos X característicos: Iones pesados 

? K L 

M 

K α K β K α K β

Átomo libre  Átomo + ion 

Ion 

Átomo Blanco 

Ionización múltiple  Formación de orbitales moleculares 

Captura Electrónica

Modelos teóricos para correcciones en la emisión de rayos X 

•  Teoría MECPSSR para incluir orbitales moleculares (Benka at al.) 

•  Aproximación Oppenheimer ­Brinkman­Kramers para captura electrónica 

•  Corrección de Lapicki y McDaniel para ionización múltiple

Construcción de la línea de rayos X en el laboratorio del Peletrón

Secciones de producción de rayos X K 12 C 4+ 

0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

1.2 

1.4 

1.6 

ECPSSR ECPSSR­UA MECPSSR MO

σ EXP

 /σ TH

EO

ξ K R

Línea L α 16 O 

Líneas: L α ,   proyectil: 16 O 

0 

50 

100 

150 

200 

250 

300 

350 

400 

450 

500 

7.5  8.0  8.5  9.0  9.5  10.0  10.5  11.0  11.5  12.0  12.5 E [MeV] 

σX [b

] 

Ce­58 Nd­60 Sm­62 Eu­63 Gd­64 Dy­66

Dependencia con número atómico de proyectil en línea L α

0.50  0.55  0.60  0.65  0.70  0.75 0 

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

He B C O F

σ x [barn] 

E [MeV/uma]

Iones 10 B 2+  : ECPSSR+MI+Puri 

0.30  0.35  0.40  0.45  0.50  0.55  0.60  0.65  0.70  0.75  0.80 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

CeNd Sm EuGd Dy Ho Yb Au Bi

σ  Exp /σ  EC

PSSR

+MI

ξ L R

Dispositivo Experimental 

•  Cámara para estudios de anisotropía en emisión de rayos X 

•  Detector de Rayos X Si tipo diodo PIN, fuera de la cámara 

•  Ventana de Mylar de 12 µm

Iones 12 C 4+

Corrección por Vacantes Múltiples 

0.03  0.06  0.09 

0.1 

1 

10 

A  20 / A

  20,teo 

V 2 

ECPSSR +Vac.Mult

Trabajo para el futuro •  Obtener expresiones semiempíricas para secciones de líneas L con protones (uso analítico) 

•  Utilizar otros iones para identificar la dependencia con número atómico del proyectil (Li, Be, N, etc.) 

•  Incluir nuevas correcciones en las teorías para todos los casos (acoplamiento intercapas, vacantes múltiples, etc.) 

•  Mejoras en las bases de datos de parámetros atómicos, con nuevas mediciones 

•  Ampliar estudios a líneas M (!)

Física aplicada 

Aerosoles atmosféricos  Estudios biológicos 

Alimentos  Arqueometría

Aerosoles atmosféricos 

Muestreo  Análisis 

Éstadística Multivariada 

Efectos citotóxicos y genotóxicos

Muestreo 

Boquilla de Entrada 

Filtro Fracción Gruesa 

Filtro Fracción Fina 

Rotámetro  Reloj 

Bomba de Vacío 

Unidad de Filtros Apilados (SFU) Diseño de Davis 

MiniVol (Airmetrics)

A 

Acelerador de Iones  Imán 

analizador 

Copa de Faraday y Monitor de Perfil de Haz 

Detector De Rayos X 

Detector de Partículas 

Muestra 

Copa de Faraday 

Integrador de Corriente 

Electrónica Nuclear 

Analizador Multicanal 

Dispositivo experimental aerosoles

PM 2.5 en FES Iztacala, 2002 

16 Ja

n 22 Ja

n 28 Ja

n 3 F

eb 

9 Feb 

15 Feb 

21 Feb 

27 Feb 

5 Mar 

11 Mar 

17 Mar 

23 Mar 

29 Mar 

4 Apr 

10 Apr 

16 Apr 

22 Apr 

28 Apr 

4 May 

10 May 

16 May 

22 May 

28 May 

3 Jun 

9 Jun 

15 Ju

n 21 Ju

n 27 Ju

n 3 J

ul 9 J

ul 15 Ju

l 21 Ju

l 27 Ju

l 

0 

500 

1000 

1500 

2000 

2500 

3000 

3500 

4000 Concentración (ng m ­3  ) 

SFClF KF CaF TiF VF CrF MnF FeF NiF CuF ZnF SeF PbF

NSK en el Centro 

0 

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

800 

900 

1000 18­Jun­01 

28­Jun­01 

08­Jul­01 

18­Jul­01 

28­Jul­01 

07­Ago­01 

17­Ago­01 

27­Ago­01 

06­Sep­01 

16­Sep­01 

26­Sep­01 

Fecha 

Con

centración

 NSK (n

g/m³) 

NSK = K – 0.25 Fe

Análisis de cúmulos: Colima Link

age Distance 

0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

3.0 

3.5 

0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

3.0 

3.5 

Vy 

Cu  Zn  K  Cl  S  Ni 

Cr  V  Ti 

Fe 

Mn  Ca  Si

Modelos de dispersión y de receptor 

Dispersión 

Receptor

Contribuciones de Fuentes: Contribuciones de Fuentes: APCA Ciudad de M APCA Ciudad de Mé éxico 1995 xico 1995 

28% 

30% 

22% 

20% 

Suelo  Tráfico  Cl­Zn  Industria 

52% 

29% 

4%  15% 

Suelo  Combustóleo  Industria  Tráfico 

Fracción Fina 

Fracción Gruesa

APCA: Ciudad de México 

2002 

Sitio  Factor 1  Factor 2  Factor 3  Factor 4 Norte, Fracción Fina 

S uelo S, K, Ca, Ti, 

Fe 5.4% 

Industria1 Cl, Mn, Cu, Zn, Pb 0.23% 

Industria2 Cr, Se, Pb 

0.054% 

Combustible S, V, Ni 

3.5% Norte, Fracción Gruesa 

Combustible S, Cl, V, Cr, 

Ni 0.64% 

Humo S, K 

0.29% 

Suelo Si, C a, Ti, Mn, Fe 7.1% 

Industria Cu, Zn, Pb 

0.016% C entro, Fracción Fina 

Combustible S, V, Ni 13% 

Suelo Ca, Ti, Mn, 

Fe 6.3% 

Sal Cl, K 1.6% 

Industria Cu, Zn, Se, 

Pb 3.1% 

Centro, Fracción Gruesa 

Suelo Si, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe 10% 

Combustible S, V, Cr, Ni 

0.014% 

Sulfato S, Cl 

0.48% 

Industria Cu, Zn, Pb 

0.14% S ur, 

Fracción Fina 

Suelo Cl, K, Ca, Ti, Mn, Fe 3.1% 

Industria1 Cu, Zn, Se, 

Pb 

0.73% 

Combustible S, V, Ni 

2.5% 

Industria2 Cr 

0.026% 

S ur, Fracción Gruesa 

Suelo Si, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn, 

Fe 9.7% 

Combustible /Industria S, V, Ni, Cu, 

Zn 0.48% 

Industria2 V, Cr 

0.019% ­­­

Efectos citotóxicos y genotóxicos inducidos por PM 10 

20  40  80 0 

20 

40 

60 

80 

100 

N 

C 

S 

Concentration (µg/cm 2 ) 

% viability 

20  40  80 20  40  80 0 

20 

40 

60 

80 

100 

0 

20 

40 

60 

80 

100 

N 

C 

S 

Concentration (µg/cm 2 ) 

% viability 

CT  N  C  S  MtSH  ActD 0 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

0.25 

0.30 

0.35 

0.40 

0.45 

OD (4

05 nm)  1 h 

2 h 

3 h 

4 h 

5 h 

CT  N  C  S  MtSH  ActD 0 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

0.25 

0.30 

0.35 

0.40 

0.45 

OD (4

05 nm) 

0 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

0.25 

0.30 

0.35 

0.40 

0.45 

OD (4

05 nm)  1 h 

2 h 

3 h 

4 h 

5 h 

Inducción de p53 (ELISA) 

Generación OH • (EPR) Citotoxicidad (Crystal Violet) 

Trabajos próximos: •ZMCM •Mexicali •Ciudad Juárez­El Paso

Arqueometría 

Efectos de contaminación en Templo Mayor 

Caracterización de cerámicas 

Caracterización de estucos y obsidianas

Banquetas del Recinto de los Guerreros Águila

Pinturas de las Banquetas del Recinto de los Guerreros Águila 

Si 

P  S  K 

Ca/5 

Ti 

V 

Crx10 

Fe/10 

Asx10 ­2 

­1 

0 

1 

2 

3 4 5 6 7 

Diferencia de Núm

ero de Fotones Relativo 

Amarillo  1 Amarillo  2 B lanco Rojo /Amarillo Rojo 2 Azul

1.E­04 

1.E­03 

1.E­02 

1.E­01 

1.E+00 

S  K  Fe  Zn  Pb 

Número de Fotones  Relativos a Calcio 

M1 Exp M1 Limpia M4 Exp M4 Limpia M5 Exp M5 Limpia M5 Rep M6 

Estucos del Templo Mayor

Xochicalco Xochicalco

Porcentaje en masa Elemento  E4  E8  A2  T2 

Mg  1.3  2.1  2.4  0.62 Al  10.5  7.7  9.0  4.4 Si  18.5  17.4  16.0  6.5 P  0.28  0.14  0.29  0.1 S  0.47  0.23  0.22  0.09 Cl  0.04  0.16  0.14  0.1 K  0.33  0.09  0.33  0.28 Ca  15.1  17.9  17.7  30.4 Ti  0.08  0.10  0.53  0.01 Fe  0.31  0.46  0.45  0.21 

Estucos, cementos y aplanados

Obsidianas de Baja California Sur 

Fe 

Ca K

Análisis de cerámicas Characterization of pre­Hispanic pottery from Teotihuacan, Mexico, by a combined PIXE­RBS and XRD analysis. J. L. Ruvalcaba­Sil, M.A. Ontalba Salamanca, L. Manzanilla, J. Miranda, J. Cañetas Ortega y C. López. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 150 (1999) 591­596. 

Ion Beam Analysis of Pottery from Teotihuacan, Mexico. M.Á. Ontalba Salamanca, J.L. Ruvalcaba­Sil, L. Bucio, L. 

Manzanilla y J. Miranda. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 161 

(2000) 762­768.

Estudios biológicos 

Pulmón canceroso  Anillos de árbol

Tejido pulmonar canceroso

Cocientes concentraciones 

0.93 ± 0.28 Zn 

1.13 ± 0.79 Cu 

1.85 ± 0.82 Co 

0.74 ± 0.43 Fe 

0.94 ± 0.41 Ca 

6.35 ± 4.62 K 

0.41 ± 0.28 Cl 

1.04 ± 0.20 S 

Cociente Tejido canceroso / tejido sano 

Elemento

Estudio de anillos de árbol •  Núcleos de 40 cm de Pinus montezumae y Abies religiosa de bosques de parques nacionales 

•  Extracción usando un taladro Pressler ®

Pinus montezumae de Parque Nacional Iztapopocatépetl 

1 9 7 0  1 9 7 5  1 9 8 0  1 9 8 5  1 9 9 0  1 9 9 5  2 0 0 0 

0 2 4 6 

C o n c e n t r a t i o n   (µ g /g ) 

Y e a r 

Cr 

0 2 4 6 8 

Mn 

0 1 2 3 4 5 6 7 

X  1 0 0 

Fe 

1 9 7 0  1 9 7 5  1 9 8 0  1 9 8 5  1 9 9 0  1 9 9 5  2 0 0 0 

0 2 4 6 

Ni 

0 

2 

Cu 

0 

2 

4 

Zn

Análisis de cúmulos para Pinus montezumae de Iztapopocatépeptl 

Linkage Distance 

0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 Ni  Ti 

Cu  S  Fe 

Cr 

Zn 

V 

Ca  K 

Cl 

Mn 

Width

Alimentos 

Puré de jitomate comercial  Nopal

Preparaci Preparació ón de muestras n de muestras 

Alcohol etílico  50 °C 

Mortero de ágata 

3 ton

Pur Puré é de de Jitomate/Nacional Jitomate/Nacional 

0 

5 

10 

15 

20 

25 

30 

35 

40 

M1  M2  M3  M4  M5  M6  M7  M9  M10  M11  M12  M13  NAT 

Muestra 

Concentración (mg/kg) 

Ti

V 

Cr 

Fe 

Cu 

Zn

Pur Puré é de de Jitomate/Importado Jitomate/Importado 

0 

5 

10 

15 

20 

25 

30 

35 

40 

45 

50 

USA1 

USA2 

USA3 

Colombia 

Chile1 

Chile2 

Japan 

Muestra 

Concentración (mg/kg)  Ti

V Cr Fe Cu Zn

Variedades de nopal

Resultados Resultados para para nopal nopal 

0 

50 

100 

150 

200 

250 

Cr  Mn  Fe  Cu  Zn  As  Br  Rb  Sr 

Concentración (mg/kg)  Milpa Alta L Copena L Robusta L Atlixco L Nopalea L

Conclusiones 

•  PIXE no es una técnica para “apretar botones” y obtener resultados 

•  Falta mucha información de magnitudes físicas básicas 

•  Las aplicaciones en el IFUNAM son muy variadas y tienen impacto social 

•  Se extenderán las aplicaciones con la instalación de la microsonda de iones