XI. ESPECTROMETRÍA DE NEUTRONES

LA ESPECTROMETRÍA de neutrones es una técnica experimental para determinar, por medio de neutrones, ciertas propiedades microscópicas de sustancias tanto cristalinas como de otros tipos, por ejemplo líquidos. Para ello es necesario, en primer, lugar, disponer de una fuente de neutrones (véase el capítulo anterior). Usando como fuente un reactor nuclear existen, por lo menos, dos técnicas para analizar las características de una estructura: la de tiempo de vuelo y la del monocromador de cristal.

En primer lugar, para ambas técnicas se requiere determinar la longitud de onda de los neutrones (véase el capítulo IX) que van a incidir sobre la muestra que se va a analizar. Esto mismo ocurre al usar radiación X. Para este último caso, se puede lograr un haz de una sola longitud de onda por medio de técnicas relativamente sencillas. Es cuestión de controlar adecuadamente el voltaje de operación de un tubo de rayos X para obtener la longitud de onda deseada.

Para el caso de neutrones, éstos se hacen salir del reactor nuclear a través de un tubo largo y angosto, llamado colimador. De esta manera se obtiene un haz de partículas que se mueven todas prácticamente en la misma dirección. Sin embargo, este haz colimado contiene partículas con muchísimas energías. Para extraer de este haz otro que contenga solamente partículas de la misma energía, se utilizan dos técnicas:

i) Tiempo de vuelo. Una versión muy común es construir dos discos, llamados de Fermi, de la siguiente manera: cada disco se forma de un sucesión de capas de dos metales, cadmio y aluminio (Figura 24). El cadmio absorbe neutrones, mientras que el aluminio es prácticamente transparente a ellos. Los dos discos giran al unísono alrededor de un eje perpendicular al haz de neutrones (Figura 25). Las partículas pasarán el primer disco, el de la izquierda en la figura, solamente cuando las capas sean paralelas a la dirección del rayo incidente. El segundo disco, separado del primero a una distancia conocida, usualmente de varios metros, gira junto con el primero, y a una diferencia de inclinación apropiada. Así, el primer disco permite el paso de neutrones de muchas velocidades. De todas estas partículas solamente aquellas que tengan un valor preciso de la velocidad lograrán llegar al segundo disco justamente en el instante en que éste tenga sus capas paralelas a la dirección del movimiento de la partículas y, en consecuencia, estos neutrones se transmitirán. Los neutrones que tienen otras velocidades llegarán al segundo disco pero lo encontrarán con sus capas formando un ángulo con la dirección de movimiento, por lo que cruzarán las capas de cadmio y serán absorbidos.

Figura 24. Estructura de los discos que componen el sistema de espectrometría de tiempo de vuelo.

Figura 25. Esquema de un espectrómetro de tiempo de vuelo para el análisis microscópico de una muestra.

De esta manera, las partículas que cruzan el segundo disco e inciden sobre la muestra tienen todas la misma velocidad, y por lo tanto, la misma energía.

Escogiendo adecuadamente la distancia entre los discos así como la frecuencia con que deben girar, se puede lograr que salgan del lado derecho de la figura 26 neutrones con la energía que nos interese. Este aparato es, de hecho, un filtro que escoge del haz incidente neutrones que tengan la energía deseada; se le llama monocromador 1

Se construye el monocromador de manera que los neutrones que seleccione tengan longitudes de onda de varios angstrom, para poder lograr el fenómeno de difracción, ya que las distancias entre las partículas de los cristales son de ese orden de magnitud. De esta forma se logra un haz de neutrones lentos.

Cuando los neutrones inciden sobre la muestra, interaccionan con sus núcleos, dependiendo de sus características, cambian su energía. Además, si los neutrones tiene longitud de onda de angstroms, entonces se difractan, es decir, cambian de dirección. Las partículas que salen de la muestra se pueden detectar colocando, a cierta distancia (Figura 25) un conjunto de detectores de neutrones.

Conociendo el tiempo que tardan los neutrones en llegar al detector se puede determinar también su energía. Este tiempo se puede medir por medios electrónicos. Mientras más tarden, menor será su velocidad y menor su energía. Midiendo los diferentes tiempos que tardan los neutrones en llegar al detector, se puede saber cuántos neutrones de cada energía llegan al detector, y como se conoce la energía de los neutrones incidentes sobre la muestra, se puede determinar el cambio de energía que indujo la muestra sobre los neutrones. Esto se hace para un ángulo de dispersión fijo. Es posible seguir este mismo procedimiento para diferentes ángulos de dispersión, ya sea repitiendo el experimento con un solo detector o haciendo las mediciones simultáneamente, colocando un conjunto de detectores en distintos ángulos.

Como se puede apreciar, en esta técnica lo que se mide es el tiempo que tardan las partículas en ir de un disco al otro, así como el tiempo que tardan los neutrones en ir de la muestra al detector. Por este motivo se llama técnica de tiempo de vuelo.

Conociendo las intensidades de los neutrones dispersados en distintos ángulos y con diferentes cambios de energía, se puede encontrar el patrón de difracción que produce la estructura cristalina. En consecuencia, es posible determinar las características geométricas o estáticas de la estructura. Asimismo, con esta información se pueden determinar otras propiedades dinámicas, no geométricas, de la estructura. Esto lo veremos en el siguiente capítulo.

Hacemos notar que con este procedimiento se están realizando dos actividades. En primer lugar, la selección de todos los neutrones que salen de la fuente, de un haz que tenga una energía determinada. En segundo lugar, se miden las energías de los neutrones que salen de la muestra con el fin de determinar qué cambio de energía experimentaron.

ii) Espectrómetro de triple eje. Otro método es utilizar cristales para seleccionar, en primer lugar, la energía requerida y, posteriormente, analizar la energía de los neutrones que salen de la muestra. Estos cristales se escogen de tal forma que tengan estructuras adecuadas para realizar las funciones deseadas. Se utilizan con mucha frecuencia cristales de germanio.

El arreglo usado se muestra en la figura 26. El haz colimado que sale del reactor nuclear se hace incidir sobre un cristal, llamado monocromador, que dispersa neutrones en un ángulo determinado con una energía determinada. Para ello se usa la difracción de los neutrones por el cristal. Sobre este cristal inciden neutrones que tienen muchos valores de sus longitudes de onda, es decir que tienen muchas energías. En un ángulo dado se difractan solamente neutrones de una sola longitud de onda. Como la longitud de onda está relacionada con su energía, en la dirección dada por dicho ángulo salen entonces neutrones de una sola energía. Es decir, a lo largo de la línea MN emergen neutrones de una energía bien definida.

Figura 26. Esquema de un espectrómetro de neutrones de tres ejes.

Este haz ya monoenergético se hace incidir sobre la muestra, que dispersa los neutrones en muchos ángulos y en cada dirección hay partículas de muchas energías.

El siguiente paso es determinar las energías de los neutrones que salieron de la muestra, en cada dirección. Esto se hace por medió del otro cristal, llamado cristal analizador.

Por medio del analizador se determinan las energías que contiene el haz que sale en cada dirección. Nuevamente se vuelve a usar el fenómeno de difracción. Las partículas que salen del analizador tienen una sola energía, y su número se llega a conocer por medio del detector mostrado en la figura.

Para efectuar el análisis completo por medio de esta técnica se requiere girar tanto el cristal monocromador, como la sustancia bajo estudio y el cristal analizador. Cada uno de estos elementos gira alrededor de un eje perpendicular al plano que se muestra. Por ello se llama a este arreglo un espectrómetro de neutrones de triple eje.

Analizando las intensidades de los elementos en cada dirección se puede, al igual que con la técnica de tiempo de vuelo, determinar la estructura de la muestra, que da lugar al patrón de difracción obtenido en el experimento. Como se verá en el siguiente capítulo, también es posible encontrar otras características microscópicas de la muestra.

En algunos laboratorios se han combinado diversos elementos de las dos técnicas, con el fin de mejorar los resultados experimentales.

NOTAS

1 La palabra monocromático quiere decir de un solo color. En el caso de un haz luminoso, a un color le corresponde una longitud de onda y por tanto una energía determinada. Lo mismo ocurre para partículas: una energía corresponde a una longitud de onda.