Download campo magnético curvatura

Daniela Angulo Páez
244443
G12 NL1
1. Espectrómetro de masas

El método más exacto y directo para determinar masas
atómicas y moleculares es la espectrometría de masas. En
un espectrómetro de masas, se bombardea una muestra
en estado gaseoso con un haz de electrones de alta
energía. Las colisiones entre los electrones y los átomos
(o moléculas) en estado gaseoso producen iones
positivos al liberarse un electrón de cada átomo o
molécula. Estos iones positivos (de masa m y carga e) se
aceleran al pasar entre dos placas con cargas opuestas.
Los iones acelerados son desviados, por un imán, en una
trayectoria circular, El radio de la trayectoria depende de
la relación entre la carga y la masa (es decir, e/m). Los
iones con menor relación e/m describen una curva con
mayor radio que los iones que tienen una relación e/m
mayor, de manera que se pueden separar los iones con
cargas iguales pero distintas masas. La masa de cada ion
(y por tanto del átomo o molécula original) se determina
por la magnitud de su desviación. Por último, los iones
llegan al detector, que registra una corriente para cada
tipo de ion. La cantidad de corriente que se genera es
directamente proporcional al número de iones, de modo
que se puede determinar la abundancia relativa de los
isótopos.
Partes

Sistema de entrada de muestras: En el sistema de
entrada de muestras, un micromol o menos de
muestra se convierte al estado gaseoso por
calentamiento a unos 400ºC y se introduce
lentamente en la cámara de ionización.
La finalidad del sistema de entrada es permitir la
introducción de una muestra representativa en la
fuente de iones con la mínima perdida de vacío
 Cámara de ionización: Las fuentes de iones de los
espectrómetros de masas, tienen todas unas
características comunes, pese a la variabilidad de
tipos existente y es que todas transforman los
componentes de una muestra en iones.
En muchos casos el sistema de entrada y la fuente de
iones están combinados en un único componente.
En todos los casos, se obtiene un haz de iones
positivos o negativos (normalmente positivos) que
posteriormente se acelera hacia el interior del
analizador de masas o sistema separador a través del
acelerador
Partes



Acelerador: En el sistema acelerador las partículas ionizadas
producidas por el impacto de los electrones son obligados a
atravesar una primera ranura aceleradora por una pequeña
diferencia de potencial. Entre esta primera y una segunda ranura
existe una diferencia de potencial muy elevada que imprime a las
partículas su velocidad final. Una tercera ranura actúa como
colimador del haz de partículas
Analizadores: Para la separación de iones con diferente relación
m/e se dispone de varios dispositivos. Lo ideal es que el analizador
fuera capaz de distinguir entre diferencias muy pequeñas de masa.
Además, los analizadores deberían de permitir el paso del número
suficiente para producir corrientes iónicas fáciles de medir. Al igual
que sucede con los monocromadores ópticos, a los que los
analizadores son análogos, estas dos propiedades no son
compatibles y se debe de llegar a un equilibrio que esta regido por la
resolución del espectrómetro de masa
Detector: Los iones procedentes del sistema acelerador llegan al
detector el cual generalmente esta constituido por un cátodo emisor
que al recibir el impacto producido por las partículas cargadas emite
electrones. Estos electrones son acelerados hacia un dínodo el cual
emite varios electrones más al recibir el impacto de cada electrón.
Este proceso se repite varias veces hasta obtenerse una cascada de
electrones que llega al colector lográndose una corriente
fuertemente amplificada, por un procedimiento muy similar al que
se utiliza en los tubos fotomultiplicadores. La corriente obtenida
puede amplificarse de nuevo por procedimientos electrónicos y se
lleva a un sistema registrador.
Principio de funcionamiento

Todos los elementos del espectrómetro deben estar en el interior de
una cámara de vacío. La muestra gaseosa (situada a la izquierda de la
figura) se ioniza mediante un haz de electrones. Los iones positivos son
acelerados por un campo eléctrico. Entre las placas aceleradoras existe
un campo eléctrico, por lo que los iones experimentarán una fuerza
dada por:
donde q es la carga de los iones positivos.
A continuación el haz de iones pasa por una zona del espacio donde
existe un campo magnético B. La fuerza que el campo magnético hace
sobre una carga es:
que es perpendicular al campo magnético y al vector velocidad de la
carga (en este caso, de los iones positivos).
Como la fuerza (representada en verde en la figura) es perpendicular a
la trayectoria de los iones, éstos tendrán aceleración normal, y se
desviarán describiendo una trayectoria curva.
Utilizando la segunda ley de Newton,
Nota: La figura es un hipervínculo a una simulación
Para un valor fijo de la velocidad y del módulo del campo magnético,
cuanto menor sea el cociente m/q menor será el radio de curvatura ρ de
la trayectoria descrita por los iones, y por tanto su trayectoria se
deflectará más.
Aplicaciones
 Detectar e identificar el uso de fármacos de
abuso en atletas (antidoping)
 Monitorear los gases de la respiración en
pacientes durante una cirugía
 Determinar la composición de materiales
provenientes del espacio exterior
 Determinar adulteración en la miel de
abejas
 Localizar depósitos petroleros (midiendo
precursores del petróleo en rocas
 Monitorear fermentaciones en línea
(industria biotecnológica)
 Detectar contaminantes orgánicos en el
aire, agua, suelo y alimentos
 Determinar
algunos
tipos
de
envejecimiento (criminalística)
2. Ciclotrón
 Un ciclotrón es básicamente una cámara de alto
vacío en la que mediante un campo magnético
paralelo al eje del cilindro y un sistema de
radiofrecuencia para generar un campo eléctrico
alternante, se acelera a energías muy elevadas
partículas elementales producidas mediante una
fuente de iones situada en el centro de la cavidad.
Cuando estas partículas han adquirido suficiente
energía (10 a 20 MeV en aplicaciones médicas) su
trayectoria es desviada para que choquen con los
blancos, en los que tienen lugar reacciones
nucleares que llevan a la obtención de los
radionúclidos emisores de positrones.
 Los ciclotrones se clasifican en función del tipo de
partícula utilizada (positiva o negativa) o bien en
función de la energía a la que éstas pueden ser
aceleradas también en función a su estructura
vertical si el plano de aceleración de partícula esta
en un plano vertical u Horizontal si el plano de
aceleración de partícula esta en el plano horizontal
o en función a su aislamiento, equipos blindados o
equipos no blindados.
Partes

El ciclotrón está compuesto por dos electrodos,
llamados D's (por su forma), un sistema de
inyección, dos grupos de electroimanes, la fuente de
poder y un blanco. Los electrodos (D's) son dos
piezas de Cobre (Cu) huecas mantenidas a un muy
alto vacío, que se encuentran separadas por una
pequeña distancia y están conectadas a la fuente de
electricidad. Los electroimanes se montan por
encima y por debajo de las D's, y proveen un campo
magnético uniforme alimentado por la fuente de
poder (CA). Por su parte, el sistema de inyección es
el medio a través del cual se obtiene la partícula que
se acelerará (protón, deuterón); este posee un
contenedor en donde se almacena hidrógeno
molecular (H2) que mediante una descarga eléctrica
se escinde, liberando un protón que es inyectado en
el orígen. Por último, el blanco que está hecho con
diferentes elementos dependiendo del producto que
se desee.
Principio de funcionamiento

El funcionamiento de este equipo se fundamenta en
el uso de campos electromagnéticos aplicados de
modo conveniente, de forma que la partícula en
cuestión sea acelerada (energía) mientras describe
una espiral creciente hasta que impacta con el
material del blanco. Todo comienza cuando el
contenedor de gas (H2) recibe una pequeña descarga
eléctrica que permite la ionización de sus
componentes, generando un protón que es inyectado
en el orígen a través de una red de tubos al vacío.
Posteriormente, el protón es impulsado por el
potencial entre las D's (14-28 kV aprox.) e ingresa en
su interior. Bajo el efecto del campo magnético
estático (perpendicular al desplazamiento), el protón
cambia su trayectoria y describe una curva,
manteniendo su velocidad inicial hasta que egresa
para ser nuevamente acelerada por el campo
eléctrico; el ciclo se repite hasta que la energía de la
partícula sea la requerida. De este modo, cuando se
alcanza la velocidad en cuestión el campo magnético
se hace variar por un tiempo breve, sacando de la
espiral al protón en dirección al blanco (ventanilla de
salida).
Aplicaciones

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El ciclotrón es usado en el mundo en la Producción de
Radioisótopos necesarios para aplicaciones clínicas en
tomógrafos por emisión de positrones (PET). Es
también objetivo del ciclotrón el desarrollo de otros
radioisótopos y aplicaciones propias de la tecnología de
aceleradores en el ámbito de la investigación básica y
aplicada.
Diagnóstico precoz de enfermedades, localizando
anomalías metabólicas celulares anteriores a la
aparición de diferencias morfológicas significativas.
Diagnóstico molecular oncológico precoz.
Identificación de nódulos mamarios y su malignidad.
Medición metabólica no invasiva, flujo sanguíneo
miocardial.
Estudios oncológicos en esófago, tiroides, ovarios.
Seguimiento post terapia determinación residuos
tumorales.
Implantación de semillas radiactivas (próstata)
Ejercicios

Se elige como partícula el protón m=1.67·10-27 kg
 Campo magnético 60 x 10-4 T
 Diferencia de potencial entre las D's, V=100 V
 El ión parte del reposo y se acelera por la diferencia de potencial existente
entre las dos D's
 La partícula describe una trayectoria semicircular de radio r1
 La diferencia de potencial alterna cambia de polaridad y la partícula se
acelera
3. Calcular el campo magnético que produce una
corriente de 1 A a un metro de distancia
4. Calcular el campo magnético que produce una
corriente I en el interior de un solenoide con una
densidad de n espiras (n=N/L)
Figura. Vista transversal de un solenoide ideal
5. Dos alambre paralelos se atraen cuando son
portadores de corrientes paralelas. Calcular su fuerza
de atracción si la longitud de los alambres es 2m,
separados una distancia de 3mm y la corriente I=8A
Figura. Representación del ejercicio
6. Una barra metálica de longitud L y masa M se desliza con una
velocidad v libremente y sin fricción, sobre dos rieles metálicos
paralelos. La barra tiene una resistencia R y la resistencia de los
rieles es despreciable. Un campo magnético constante B uniforme
y entra perpendicular al plano del circulo. Calcular la aceleración
que se originará en la barra
Como la corriente inducida está en dirección contraria de las manecillas del reloj se tiene que
Como es la única fuerza horizontal que actúa sobre la barra, entonces
Donde F es la fuerza de Newton, entonces se tiene
La magnitud de la corriente inducida está dada por
Entonces
Figura. Barra conductora que se desliza