CañonesDetectoresAnalizadores

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FUENTES DE RADIACIÓN + DETECTORES + ANALIZADORES
FUENTE DE PARTÍCULAS / RADIACIÓN
Cañón de electrones.
Cañón de iones.
Fuente de Luz (lámpara UV, ánodo de rayos-X, sincrotrón)
Haz de partículas
Superficie a analizar
Detección y análisis
Información:
• Elemental 
• Química
• Estructural
• Electrónica, etc.
Diseño básico
Cañón de electrones.
ϕ�
Diseño más avanzado, con lentes de Einzel y deflectores
Cañón de electrones.
E = e HV
Esquema de un SEM -
Scanning Electron Microscope
Ejemplos de aplicación de cañones de electrones
Esquema de una óptica de LEED
- Low Energy Electron Difraccion
Cañón de electrones monocromatizado
Cañón de electrones.
Cañón de iones
e-
A+
lámpara UV Se excitan los átomos del gas mediante una descarga eléctrica
Los electrones excitados decaen emitiendo luz monocromática
Ejemplo para una lámpara de He.
UVS 10/35 
de SPECS
gas
Luz ultra-violeta
Fuente de luz
Ánodo de rayos-X
Bremsstrahlung – radiación de frenado
Bombardeo de blancos metálicos con electrones de energía intermedia (~ keVs)
Espectro de la radiación X emitida
Ionización de capas internas + emisión X 
por decaimiento electrónicos
Fuente de luz
Ánodo de rayos-X
Radiación X monocromática
Materiales livianos para reducir el bremsstrahlung
hν(Mg-Kα) = 1253.6 eV, w = 0.7 eV 
hν(Al-Kα) = 1486.6 eV , w = 0.85 eV
hν(Ag-Kα) = 2984.3 eV , w = 2.6 eV
Ánodo de rayos-X (Al, Ag) 
con monocromador - SPECS
Fuente de luz
sincrotrón
Electrones relativistas (GeV) + trayectorias dobladas (con imanes) = radiación de frenado
Características:
- Alta intensidad
- Alto brillo (muy colimado)
- Luz polarizada
- Sintonizo la energía del 
fotón con 
monocromadores
SOLEIL
Fuente de luz
Detectores de Radiación:
Tipo de radiación detectada (partículas cargadas, neutras, luz, neutrones, etc.)
Eficiencia de detección
Ganancia
Modos de detección
Espectrometría
Ejemplos
Relación corriente carga elemental - Electrómetro
Copas de Faraday
Multiplicadores de electrones (CEM, MCP)
Centelladores
Detección de partículas cargadas:
Corriente = cantidad de carga por unidad de tiempo
unidad: Ampère = Coulomb / segundo
Carga elemental e = 1,6 x 10-19 C
Nt = Número de partículas de carga elemental por unidad de tiempo
= Corriente / e
1 nA � 10-9 A / e = 6.250.000.000 partículas / s
1 pA � 10-12 A / e = 6.250.000 partículas / s
Para medir nA, pA necesito instrumentos muy delicados llamados «Electrómetros»
Haz de iones incidentes 
Placa metálica,
muestra conductora
electrómetro
i+
i+ nA
tierra
IDEALMENTE
Haz de iones incidentes 
placa metálica,
muestra conductora
electrómetro
i+
nA
tierra
REALIDAD
������ 	 �
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�
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�
�
������
�
�
� electrones secundarios
Haz de iones incidentes 
placa metálica,
muestra conductora
electrómetro
i+
nA
tierra
COMO MEDIR MEJOR….
������ 	 �
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�
�
������ 	 �
 � � �
�
�
������
�
�
� electrones secundarios
� < 1
+
_ 50 V
Al polarizar la muestra colecto gran cantidad de electrones secundarios, 
pero no todos. Además genero un campo eléctrico que puede afectar otras 
mediciones
+
COMO MEDIR MEJOR….
COPA DE FARADAY: quiero colectar toda la carga en una copita
Al poner el electrodo de entrada a masa no genero un campo eléctrico que 
puede afectar otras mediciones. 
La forma de la copa colecta una gran proporción de electrones secundarios. 
Se pueden mejorar los diseños agregando otros electrodos y/o campos 
magnéticos para optimizar la colección de carga
Haz de iones incidentes 
Copa
electrómetro
i+
i+ nA
tierra
¿QUÉ PASA SI QUIERO COLECTAR PARTÍCULAS INDIVIDUALES UNA POR UNA?
MULTIPLICADORES DE ELECTRONES (EM)
Partícula 
incidente
Pulso de carga (pulso de tensión ~ mV)
Ganancia = ��
�: número	de	electrones	generados
					por	cada	impacto
n: número de dinodos
Ej.: δ = 3, n=11 � G ~ 2x105
Recordar que …… 1 pA � 10-12 A / e = 6.250.000 partículas / s
Fotomultiplicador = fotocátodo + EM
Detección de fotones
Sensibles a electrones, iones, átomos neutros; incluso fotones. 
Ganancias típicas ~ 104_105 dependiendo de las características del multiplicador
DETECTORES DE FOTONES DE ALTA ENERGÍA CON MULTIPLICADORES DE 
ELECTRONES
Espectroscopía gammaAplicaciones
Sensibles a electrones, iones, átomos neutros; incluso fotones.
Ganancias típicas ~ 104_106 dependiendo de las características y modos de operación
CEM: Channeltron Electron Multiplier
(dinodo continuo)
MCP: Micro-Channel-Plate
Ganancias típicas por MCP ~ 104
Visión nocturna
Aplicaciones 
• Detección en paralelo
• Detectores sensible a posición
• Intensificadores de imágenes
Analizadores de partículas
Tipos de analizadores:
Dispersivos � Electrostáticos (de placas paralelas, cilíndricos, esféricos) 
� Magnéticos
de Retardo
de Tiempo de Vuelo (Time-of-Flight TOF)
La idea es poder medir la energía, la velocidad, o la masa de la partícula de interés para 
estudiar distintas propiedades de la superficie.
( ) ( ) ( ) xdxxTmxSxS VerdaderoMedido ′′−′= ∫
∞
∞−
Función respuesta del instrumento (Tm(x))
Características:
Resolución en energía ( o masa)
Aceptación angular
Resolución angular
Modos de operación (CAE, CRR, normal, derivado)
Transmisión (Tm)
Pares de placas paralelas - deflectores
q,{T}
campo eléctrico ℇ
T1
T2
T3
T4 >>> T3 > T2 > T1
Haz de partículas cargadas 
con energía cinética T
To = k ΔV
k = (q D l) / (Yd 2a)
To: energía cinética analizada
k: constante del analizador
depende de la geometría
NOTAR que 
NO DEPENDE de la MASA
Sectores de esferas - analizador esférico
To: energía cinética analizada
k: constante del analizador
depende solo de la geometría
To = k ΔV
k = q / ( (r2/r1) - (r1/r2))
Resolución en energía
ΔT/To = (w1+w2+aberraciones) / (2 r)
CONSTANTE, solo depende de la geometría
Se denomina transmisión Tm a la fracción de electrones emitidos desde una fuente 
puntual e isotrópica que llega al detector (ubicado después de la ranura de salida del 
Analizador. 
Luminosidad es la transmisión Tm integrada sobre la ranura de entrada L ~ Tm w1
Con un analizador grande (R grande) para una misma resolución se pueden aumentar w1 y w2 
y así aumentar L 
ΔT/To = (w1+w2+aberraciones) / (2 r)
= (1+1)/(2x50) = 0.02 � 2%
Ejemplo
Sectores de esferas - analizador esférico
Modos de operación
Constant Retarding Ratio (CRR)
Constant Analyzer Energy (CAE)
eVr = - KE (CRR-l)/CRR
eVo = - KE (CRR-r2/r1)/CRR
eVi = - KE (CRR-r1/r2)/CRR
To = KE / CRR
ΔKE = ΔTo / CRR
eVr = -(KE – CAE)
eVo = - KE + CAE (r2/r1)
eVi = - KE + CAE (r1/r2)
To = CAE
ΔKE = (ΔTo/To) CAE
CRR: Cambia el potencial de retardo y 
la energía de análisis simultaneamente
CAE: Cambia el potencial de retardo y 
mantiene fija la energía de análisis
Sectores de esferas - analizador esférico
Se usa una lente de enfoque para llevar los electrones a la entrada del analizador y una 
etapa de retardo para frenar estos electrones. Típicamente se polariza el diafragma de 
entrada w1 con (Vr). 
Modo retardo 
constante y modo 
energía de paso 
constante
Sectores de esferas - analizador esférico
CAE CRR
Función transmisión del analizador SPECS en modo CAE
Ejemplo de aplicación: sistema 
EELS (Electron Energy Loss
Spectroscopy) de IBACH
Ejemplo de aplicación: analizador diseñado en el laboratorio
Sectores de esferas - analizador esférico
Sector magnético – selector de masas
campo magnético B
To = (M/2) ((q/M) R B)2
ν = (q/M) R B � velocidad DEPENDE de la RELACION CARGA-MASA
B = R √(2(M/q)Vacceleración) � B DEPENDE de la RELACION CARGA-MASA
Filtro de Wien – selector de velocidades
Velocidad incidente = campo eléctrico / campo magnético
� La partícula pasa el filtro
ν = ℇ / B
ℇ = ΔV / (2d)
To = (1/2) M ν2 = q Vaceleración
To ≠ k ΔV 
To = [M/(8d2B2)] (ΔV)2 � DEPENDE de la MASA
ν = [1/(2dB)] ΔV � velocidad proporcional a la diferencia 
de tensión aplicada entre placas
ΔV = 2dB √(8(q/M)Vacceleración) � DEPENDE de la RELACION CARGA-MASA
Esquema de una óptica de LEED - Low Energy Electron Diffraction
Analizadorde retardo. 
Analizador de retardo
… lo comentamos cuando mostremos las técnicas de difracción…
Analizador por tiempo de vuelo
Cuando las partículas que queremos analizar son neutras, por ejemplo un átomo 
neutro, no podemos usar analizadores dispersivos. 
Una alternativa para medir su energía cinética KE es determinar su velocidad 
midiendio el tiempo que tarda la partícula en recorrer una longitud conocida (L); es 
decir, el tiempo de vuelo (TOF).
Ej. : si L = 1 m, KE=1 keV, M = 1 (hidrógeno) � TOF = 2.3 µs 
KE=3 keV, M = 197 (oro) � TOF = 18.5 µs
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2	+,
Rango típico de detección para átomos con energías del orden de los keVs: 1-50 µs.
Un TAC (Time to Amplitude Converter) puede medir tiempos en rangos que van 
desde los 50 ns hasta los 2000 µs. 
El TAC determina el tiempo transcurrido entre dos pulsos electrónicos, uno de 
START y otro de STOP, generando un pulso lógico cuya intensidad es proporcional a 
ese tiempo.
Ejemplo de un espectro de 
tiempo de vuelo de las 
partículas emitidas en la 
colisión de iones de Ar con una 
superficie.
Analizador por tiempo de vuelo
Esquema de detección 
por tiempo de vuelo
Tmedido = Tdelay proyectil + Tdelay electrónico + TOF
Analizador por tiempo de vuelo
En la práctica medimos 
Tmedido = Tdelay proyectil + Tdelay electrónico + TOF
Aún cuando podamos determinar Tdelay proyectil y Tdelay electrónico, el tiempo 
TOF DEPENDE de M y KE.
En algunos experimentos como en SARS se presupone que hubo una colisión binaria 
clásica por lo que se puede predecir los distintos procesos de colisión, determinar su 
tiempo de vuelo, y por ende identificar los picos.
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2	+,
En otros sistemas como TOF-
SIMS se mide TOF conociendo 
KE, por lo que se puede 
determinar unívocamente la masa 
M de la partícula emitida.