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Imagen del interior de la cámara de vacío. Se observa el diodo PIN montado sobre la tapa. |
La generación de conocimiento y el desarrollo/construcción de equipos e instrumentos con especificaciones técnicas adaptadas a la realidad de las necesidades de la institución, permite ahorrar recursos evitando la compra de instrumentos comerciales sumamente costosos y, de mantenimiento difícil, permitiendo aumentar la capacidad de atención de servicios tecnológicos a través de la diversificación de la oferta de técnicas de análisis que puede ofrecer el IPEN a la sociedad.
En los últimos meses, la División de Técnicas Analíticas Nucleares (TANU) de la Dirección de Investigación y Desarrollo (INDE) recibió la solicitud de análisis de muestras de uranio natural mediante espectrometría alfa, técnica que no formaba parte de la oferta de servicios de la División, al no contar con la tecnología, los equipos necesarios ni la disponibilidad de uso de los mismos. Los equipos comerciales para este tipo de estudios son extremadamente costosos y dadas las condiciones actuales era materialmente imposible la compra de los mismos.
Bajo esta coyuntura, considerando la experiencia adquirida en los últimos años en la construcción de equipos instrumentales que vienen siendo utilizados de forma rutinaria en los laboratorios de INDE y la disponibilidad de algunos recursos limitados obtenidos a través de la adjudicación de fondos concursables de fuentes externas al IPEN, la división de TANU, en colaboración con el Laboratorio de Desarrollo Electrónico, el Taller de Mecánica y la División de Materiales de INDE iniciaron un proyecto interno destinado al desarrollo y construcción de un espectrómetro alfa de alta resolución y bajo costo, además del equipamiento complementario necesario.
El producto final de este proyecto ha dado como resultado un espectrómetro alfa, diseñado y construido en los laboratorios del IPEN y que ha permitido atender la demanda de análisis de muestras de uranio mediante esta técnica. Este equipo utiliza como sensor un diodo PIN marca Hamamatsu® con ventana desnuda de 10 mm x 10 mm el cual ha sido montado dentro de una cámara de vacío cilíndrica construida en el Taller de Mecánica a partir de una barra de aluminio de dimensiones adecuadas. El vacío que debe haber entre la fuente y el detector (diodo PIN) es necesario para mejorar la resolución de equipo y evitar la pérdida de energía de las partículas alfa al chocar con las moléculas de aire. La cámara de vacío funciona con una presión absoluta de 10 mmHg, vacío que es generado por una bomba de vacío eléctrica pero que también puede ser reemplazada por una sencilla bomba mecánica al no requerirse alto vacío para su operación.
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Diagrama esquemático de la cámara de vacío con montaje de diodo PIN y preamplificador |
La electrónica asociada está formada por un preamplificador sensible a carga y un amplificador gaussiano de bajo costo marca Cremat, los cuales han sido instalados en gabinetes de aluminio blindados para reducir las interferencias electromagnéticas. El preamplificador está montado directamente sobre el soporte del diodo PIN para reducir al mínimo el ruido producido entre estos dos componentes. El diseño modular del espectrómetro permite conectar la salida del amplificador a cualquier analizador multicanal y software asociado para realizar la colección del espectro de energías alfa. Las primeras pruebas de operación del espectrómetro se han realizado con una muestra de uranio natural en forma de una fina capa electrodepositada sobre un disco de acero finamente pulido y previamente tratada por separación química. La resolución obtenida para esta muestra ha sido de 50 KeV en el pico de 4.78 MeV del U-234. Este método ha sido también utilizado para el análisis del lote de muestras de uranio que fue recibido a solicitud de una empresa del mercado local.
En una segunda etapa, la operación del equipo ha sido comprobada con una muestra patrón estándar (MRC2001-053) de Am-241, gracias a la colaboración del Lic. Jorge Martínez de la Dirección de Servicios, con la cual se ha obtenido una resolución de 33 KeV en el pico principal de 5.485 MeV del Am-241, valor que todavía será mejorado luego de optimizar algunos de los parámetros utilizados para hacer la medición.
La diferencia en la resolución obtenida en ambas pruebas se debe a las limitaciones en la adecuada preparación de la muestra de uranio, motivo por el cual se aprecia una degradación de la resolución en energía. Es de resaltar que la resolución de 33 KeV obtenida con la muestra patrón de Am-241 es comparable a la resolución de equipos comerciales de marcas reconocidas y cuyo costo es significativamente mucho mayor. Un equipo comercial de estas características tiene un costo algunas decenas de miles de dólares y, en comparación, el costo aproximado del espectrómetro desarrollado bordea los U$2,500.
La relación beneficio/costo obtenida de la construcción de este instrumento demuestra la conveniencia y necesidad de destinar recursos y esfuerzos en el desarrollo de conocimiento y tecnologías que esté adaptadas a las necesidades de los usuarios, no sólo para satisfacer sus requerimientos específicos sino además como una forma de incrementar el know-how y la experiencia necesaria para llevar a buen final otros proyectos de desarrollo e innovación tecnológica.
El equipo de desarrollo de este proyecto estuvo a cargo del Ing. Oscar Baltuano del Laboratorio de Desarrollo Electrónico, el Dr. Eduardo Montoya y el Lic. Pablo Mendoza de la División de Técnicas Analíticas Nucleares y el Téc. Yuri Hernández del Taller de Mecánica de INDE.
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Espectro de energías alfa de una fuente de uranio natural obtenida con el espectrómetro alfa construido (tiempo de medición: 80,000 s) |
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| Espectro de energías alfa de la fuente patrón de Am-241 que además contiene cantidades significativas de Pu-239, Pu-240 y U-233 (tiempo de medición: 100,000 s) |
