EVALUACIÓN DEL EMPLEO DE LA RETRODISPERSIÓN BETA PARA EL ESTUDIO DE CAPAS FINAS DE PRODUCTOS DE CORROSIÓN.

I. Alonso¹, R. Valdes², A. Quintana², S. Rodríguez¹, G. Acosta¹, L. Desdín², L. Sorinas¹.

1 Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares (ISCTN), Salvador Allende y Luaces, Quinta de los Molinos, Plaza, Ciudad de la Habana
2 Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN),Calle 30 #502 e/ 5ta Ave y 7ma Apartado Postal 6122 Miramar Playa Ciudad de la Habana. Cuba. E-mail:desdin@ceaden.edu.cu

Resumen.
Varias interacciones ocurren en los núcleos atómicos y en sus envolturas electrónicas cuando las partículas beta pasan a través de la materia. Un porción de estas son desviadas y abandonan el medio dispersante. En este fenómeno está basado el método de retrodispersión beta, el cual ha sido usado en la medición del espesor y la composición de materiales. Una instalación de retrodispersión fue utilizada para estudiar capas finas de productos de corrosión formadas por el sistema Cu 99.98% / NaCl 3%. Cálculos efectuados con el código MCNP-4A están en concordancia con los resultados experimentales. Los cálculos establecieron las condiciones mínimas para analizar capas finas de productos de corrosión con dicho método.

Palabras claves: productos de corrosión, retrodispersión beta, modelación

Abstract
Some interactions occur on atomic nuclei and atomic electron shell when beta particles pass through matter. A portion of the impinging beta particles is deflected after particles are released from the scattering medium. On this phenomenon is based the beta backscattering method, which has been used on the evaluation composition and thickness of materials. A beta backscattering set up was used to study thin layers of corrosion products formed on the system Cu 99.98% / NaCl 3%. Calculations performed with MCNP-4A (Monte Carlo N-Particle Transport System, Version 4A) agree with experimental results. The calculations established the minimum conditions to analyze this kind of layers.
.
Keywords: corrosion products, beta backscattering, modelling.

1. Introducción.

El método de retrodispersión beta se basa en el registro de la fracción de partículas betas, emitida por una fuente radioisotópica, que luego de interactuar con un blanco (muestra), son dispersada a ángulos mayores de 900 respecto a su dirección de incidencia.
El espesor de saturación es aquel a partir del cual la intensidad de la radiación retrodispersada en el blanco es independiente del incremento de este en la muestra [1] y depende de la energía máxima de la fuente radioisotópica que se emplee.
Si se trabaja con espesores de saturación, la intensidad de electrones retrodispersados se expresa según [2]:

                    (1)

donde: Z es el número atómico efectivo de la muestra, A es el índice de masa efectivo, b es el índice de retrodispersión y C una constante que depende de las características del sistema de detección.
La retrodispersión de electrones también se reporta en términos del coeficiente de retrodispersión R, que se define [3]:

                 (2)

La información proveniente de la retrodispersión b ^- que tiene lugar en blancos de espesor menor que el de saturación, es dependiente del espesor de la muestra y de su composición [4] y ha sido empleada en la evaluación de estos parámetros en diversas aplicaciones [5,6].

Resultó interesante valorar las posibilidades del método para el estudio de las capas correspondientes al sistema Cu 99.98% / NaCl 3%, en el que se obtienen capas de cloruro cuproso (CuCl), óxido cuproso (Cu₂O) y sal básica (Cu₂(OH) ₃3Cl) [7]. En la figura 1 se muestra una picadura típica de cobre para este sistema [8].

Fig. 1: Picadura típica de cobre.

El fenómeno de la retrodispersión, en el diseño experimental, se modeló a través del código MCNP-4A [9]. Este código permitió valorar cuáles son las condiciones óptimas para el estudio de este tipo de capas con esta técnica.

2. Instalación Experimental

El estudio de retrodispersión se realizó en la instalación que se muestra en la Fig. 2 y consta de: una fuente beta de Sr ⁹⁰/Y⁹⁰ (1) con energías máximas de 2.28 MeV, un blindaje interior (2) de plomo con un colimador (3), dos detectores Geiger-Müller (CMB/20) (4) que se encuentran apoyados sobre dos placas, una de Plexiglás (5) y otra aluminio (6), un soporte para el portamuestras (7) de aluminio, un portamuestra con pared de aluminio (8) y fondo de acetato (9) en cuyo centro se coloca la muestra (10), una base soporte de polietileno (11) y un blindaje exterior (12) también de plomo. La señal de salida de los detectores es procesada en una unidad radiométrica compuesta de: un amplificador lineal (PA521) para la conformación de los pulsos; un analizador monocanal (SC604B) que discrimina el ruido electrónico y cuya señal TTL pasa a un contador (EC5104).

3. Preparación de las Muestras.

Las muestras de cobre técnico empleadas se elaboraron a partir de una plancha de 2 mm de espesor y se cortaron en forma de discos de 15 mm de diámetro.
La preparación superficial contó con dos pasos de lijado húmedo, primero lija 320 y luego 800. Posterior al lijado fueron lavadas con una solución de alcohol con acetona, para eliminar posibles grasas u otras deposiciones orgánicas y finalmente fueron conservadas en una desecadora.

Fig. 2: Instalación para la retrodispersión de electrones.

Las capas de productos de corrosión se lograron mediante un lazo de potencial aplicado a las muestras, barriendo el potencial a una velocidad de 60 mV/min, hasta los valores de +160 mV para la formación de óxido cuproso (Cu₂O) y +320 mV correspondiente a la formación de sal básica (Cu₂(OH) ₃Cl).
Las pruebas potencio dinámicas descritas se realizaron con un potenciostato / galvanostato PJT 24-1 (Tacussel Electronique) y un esquema convencional de tres electrodos. Un electrodo de calomel saturado se utilizó como referencia y uno de platino como contraelectrodo.

4. Determinación del Índice de Retrodispersión.

Para determinar el parámetro b del diseño experimental (expresión 1), se emplearon seis muestras para análisis, geométricamente idénticas, de radio igual a 15 mm y espesores de 2 mm, de Cu, Al, Ti, Cd, Sn y Pb. Los tiempos de medición empleados fueron de 5 minutos, realizándose 10 mediciones por cada muestra para lograr una buena estadística de los resultados.
Fluctuaciones en las condiciones externas a la instalación experimental pueden influir en la reproducibilidad de los resultados cuando los intervalos de tiempos son largos. Por esto la determinación del fondo, antes y después de cada medición se aplicó para reducir ese tipo de errores.
Este experimento se simuló con el MCNP-4A (agregando un muestra de vanadio). En dicha modelación se consideran como electrones registrados a todos los que logran pasar al interior de los detectores. La ventana de los detectores se analizó por fluorescencia de rayos X y se determinó su composición (tabla 1).
El espesor se determinó con un Microscopio Metalográfico NEOPHOT 32 (CarlZeiss/Jena, Alemania). Su valor es:

espesor = 0.051 ± 0.002 mm

Tabla 1: Composición de la ventana del detector.

Los resultados mostraron que el corte energético, de los detectores empleados, se encuentran entre los 250 keV y 300 keV.
La determinación del índice de retrodispersión, se obtuvo a partir de las pendientes de las curvas que se muestran en la figura 3 relacionadas con la expresión 1.
Los resultados fueron:

b_exp=2.18±0.03
b_mod=2.19±0.08

Esto demuestra que la modelación reproduce con buena exactitud la instalación experimental.

Fig. 3: Comparación de los resultados experimentales y por modelación en la determinación del índice de retrodispersión.

5. Pruebas de sensibilidad de la instalación experimental.

5.1. Prueba de sensibilidad a capas de polvo de óxido cuproso.
A modo de valoración inicial de la sensibilidad del método, a capas de productos de corrosión, se midió la retrodispersión en una muestra de cobre y luego se colocó entre esta muestra y el haz de electrones una capa fina de óxido cuproso en polvo.
La figura 4 demuestra que el aumento progresivo del espesor de la capa provoca un decrecimiento de los conteos, demostrándose así la sensibilidad del método a las capas de polvo.

Fig. 4: Comportamiento de las cuentas al variar el espesor de la capa.

5.2  Prueba de sensibilidad al método electroquímico.

Se prepararon ocho muestras y se atacaron según la metodología descrita. En cuatro de ellas se depositó óxido cuproso y en el resto sal básica.
Se midió cada una, los resultados de los valores promedios de los coeficientes de retrodispersión fueron:

Tabla 2: Coeficientes de retrodispersión promedio para muestras de cobre antes y después de ser atacadas.

Como se observa en la tabla 2 no existen diferencias apreciables entre los coeficientes de retrodispersión de las muestras puras y las atacadas. Para explicar este resultado se modeló en el MCNP-4A el experimento anterior, buscando información sobre la eficiencia del sistema de detección.
La capa de sal básica no se pudo modelar dado que no se posee el valor de su densidad para las condiciones experimentales; esto provocó que se realizara la simulación de las capas de óxido cuproso y cloruro cuproso. Se comparó los resultados de las simulaciones en las capas de productos de corrosión con respecto a una capa idéntica de cobre.
En la figura 6 se puede observar que los valores de las diferencias entre la cantidad de electrones retrodispersados en la capa de cobre y la capa de óxido cuproso oscilan alrededor de cero. Este comportamiento demuestra que el método no es capaz de resolver la diferencia entre ellas.
En el caso del cloruro cuproso se puede apreciar la marcada diferencia entre la cantidad de electrones retrodispersados en el cobre y en la capa de cloruro cuproso. Esta diferencia implica que el método es capaz de discernir entre estas dos capas.
Las energías de estos electrones se encuentran por debajo del corte energético de los detectores. Por esto la instalación es incapaz de diferenciar entre las muestras atacadas por vía electroquímica y las de cobre puro.

6. Estudio de la retrodispersión de electrones para diferentes energías

Para determinar el rango energético óptimo en el estudio de las capas, se empleó una simulación que consta de: una fuente mono energética puntual colocada a una distancia despreciable de la muestra, una capa de óxido cuproso de 0.004 mm, otra de cloruro cuproso de 0.003 mm, y una de cobre con espesor mayor que el de saturación. Cada una de las capas de productos de corrosión se subdividió en capas de 0.0005 mm de espesor.
Se realizaron ocho simulaciones, variando la energía de emisión de la fuente mono energética, desde 50 keV hasta 400 keV (con un paso de 50 keV). Los resultados de las simulaciones para diferentes energías se pueden apreciar en la figura 6.

Fig. 6: Fracción de electrones retrodispersados en función del espesor, para diferentes energías.

En el caso del haz de electrones con energía de 50 keV se observa que sólo entre el 10 % y el 15 % de los electrones retrodispersados entran al material. Esto concuerda con resultados reportados para una fuente de Ni⁶³ [4]. Los electrones que son retrodispersados en la superficie de la muestra no son útiles para el estudio de espesores.
Para el caso de electrones con energía de 100 keV se obtiene la mayor cantidad de retrodispersiones en el interior de la capa de productos de corrosión. Este rango energético aparece como el más adecuado para los estudios de composición interna de las capas, dado que el haz sólo penetra hasta espesores de 4 mm.
Para las energías entre los 150 keV y los 300 keV, se puede apreciar la variación en la pendiente de las curvas debido a la transición entre la capa de óxido cuproso y la de cloruro cuproso y ocurren interacciones en la capa de cobre.
A partir de los 300 keV las interacciones de los electrones con los productos de corrosión y la matriz de cobre puro son casi uniformes, o sea, los electrones retrodispersados no portan solamente información sobre la capa fina.
La probabilidad de que se produzcan dispersiones en la superficie de la muestra o en capas cercanas a la superficie aumenta con la disminución de la energía de la fuente que se emplee, provocando que se mejore la sensibilidad del método para espesores muy finos. Estos resultados concuerdan con estudios previos en los que se recomienda el análisis de micro espesores con fuentes emisoras beta de bajas energías (Ni⁶³, H³ y C¹⁴) y detectores con ventana de baja densidad y número atómico, como por ejemplo: G-M con ventanas de mica de espesor menor que 1.5 mg/cm2.

7. Referencias

1. K. K. Sharma and M. Singh, J. Appl. Phys., 50 (3), (1979) 1529-1532.         [ Links ]
2. K. K. Sharma and M. Singh, J. Appl. Phys., 51 (4), (1980) 2239-2241.         [ Links ]
3. L. Desdín, G. Capote, A. Leyva and L. Calderín, J.Radioanal. Nucl. Chem., 37 (12), (1998) 163-165.         [ Links ]
4. A. Damkjaer, J. Appl. Rad. Isot, 27, (1976) 631-636.         [ Links ]
5. B. H. Colmery Jr., A. A. Mich and L. K. Han, U. S. A. Patent Office, 3424902, patented jan 28, (1969).         [ Links ]
6. J. Weinstock, D. E. Wade, U. Lieber and W. D. Hay, U. S. A. Patent Office, 3496359, patented february 17, (1970).         [ Links ]
7. E. García, J. Uruchurtu y J. Genescá, Revista de Metalurgia, Madrid, 31 (6), (1995) 361-367.         [ Links ]
8. M. Pourbaix, Journal of science and engineering, an official publication of NACE, The Corrosion Society, 25 (6), (1969) 267-269.         [ Links ]
9. J. F. Briesmeister et all, MCNP: General Monte Carlo N-particle transport code, Version 4A, Los Alamos National Laboratory Report LA-12625.        [ Links ]