í2 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 1, 2002, 12 - 15

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

l. Alonsot,R. Valdes2, A. Quintana', S. Rodríguez', G. Acosta', L. Desdín', L. Sorinas',

1 Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares (ISCTN), Salvador Allende y Luaces, Quinta delos Molinos, Plaza, Ciudad de la Habana

2 Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN), Calle 30 #502 el 5taAve y 7maApartado 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 através de la materia. Un porción de estas son desviadas y abandonan el medio dispersante. En este fenómeno está basado elmétodo de retrodispersión beta, el cual ha sido usado en la medición del espesor y la composición de materiales. Una instalaciónde retrodispersión fue utilizada para estudiar capas finas de productos de corrosión formadas por el sistema Cu 99.98% / NaCI3%. Cálculos efectuados con el código MCNP-4A están en concordancia con los resultados experimentales. Los cálculosestablecieron las condiciones mínimas para analizar capas finas de productos de corrosión con dicho método.

Palabras claves: productos de corrosión, retrodispersián beta, modelación

Abstract

Some interactions occur on atomic nuclei and atomic electron shell when beta particles pass through matter. A portion of theimpinging beta particles is deflected after particles are released from the scattering medium. On this phenomenon is based thebeta backscattering method, which has been used on the evaluation composition and thickness of materials. A beta backscatteringset up was used to study thin layers of corrosion products formed on the system Cu 99.98% /NaCI3%. Calculations performedwith MCNP-4A (Monte Carlo N-Particle Transport System, Version 4A) agree with experimental results. The calculationsestablished 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 registrode la fracción de partículas betas.remitida por una fuenteradioisotópica, que luego de interactuar con un blanco(muestra), son dispersada a ángulos mayores de 900 respectoa su dirección de incidencia.

El espesor de saturación es aquel a partir del cual laintensidad de la radiación retrodispersada en el blanco esindependiente del incremento de este en la muestra [1] ydepende de la energía máxima de la fuente radioisotópicaque se emplee.

Si se trabaja con espesores de saturación, la intensidadde electrones retrodispersados se expresa según [2]:

ZbI = C---

A(1)

donde: Z es el número atómico efectivo de la muestra, A es elÍndice de masa efectivo, b es el Índice de retrodispersión y Cuna constante que depende de las características del sistemade detección.

La retrodispersión de electrones también se reporta entérminos del coeficiente de retrodispersión R, que se define[3]:

R = ¿I!lcl!:estra

Ipatrón

(2)

La información proveniente de la retrodispersión ~. que tienelugar en blancos de espesor menor que el de saturación, esdependiente del espesor de la muestra y de su composición [4] Yhasido empleada en la evaluación de estos parámetros en diversasaplicaciones [5,6].

1.Alonso y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

Resultó interesante valorar las posibilidades del métodopara el estudio de las capas correspondientes al sistema Cu99.98% / NaO 3%, en el que se obtienen capas de clorurocuproso (CuCI), óxido cuproso (CuP) y sal básica (Cu/OH)30) [7]. En la figura 1 se muestra una picadura típica de cobrepara este sistema [8].

CuP(ROJO)\\\\\

ceo (BLANCO)"<,

<,

Fig. 1: Picadura típica de cobre.

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

2. Instalación Experimental

El estudio de retrodispersión se realizó en la instalaciónque se muestra en la Fig. 2 Yconsta de: una fuente beta deSr90N90 (1) con energías máximas de 2.28 MeV, un blindajeinterior (2) de plomo con un colimador (3), dos detectoresGeiger-Müller (CMBI20) (4) que se encuentran apoyadossobre dos placas, una de Plexiglás (5) y otra aluminio (6), unsoporte para el portamuestras (7) de aluminio, unportamuestra con pared de aluminio (8) y fondo de acetato(9) en cuyo centro se coloca la muestra (10), una base sopor-te de polietileno (11) y un blindaje exterior (12) también deplomo. La señal de salida de los detectores es procesada enuna unidad radiométrica compuesta de: un amplificador li-neal (PAS21) para la conformación de los pulsos; un analiza-dor monocanal (SC604B) que discrimina el ruido electrónicoy cuya señal TIL pasa a un contador (ECS104).

3. Preparación de las Muestras.

Las muestras de cobre técnico empleadas se elaboraron apartir de una plancha de 2 rnm de espesor y se cortaron enforma de discos de 15 rnm de diámetro.

La preparación superficial contó con dos pasos de lijadohúmedo, primero lija 320 y luego 800. Posterior allijado fueronlavadas con una solución de alcohol con acetona, paraeliminar posibles grasas u otras deposiciones orgánicas yfinalmente fueron conservadas en una desecadora.

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Fig. 2: Instalación para la retrodispersión de electrones.

Las capas de productos de corrosión se lograron medianteun lazo de potencial aplicado a las muestras, barriendo elpotencial a una velocidad de 60 mV/min, hasta los valores de+160 mV para la formación de óxido cuproso (CuP) y +320mV correspondiente a la formación de sal básica (Cu/OH)3°)·

Las pruebas potencio dinámicas descritas se realizaroncon un potenciostato / galvanostato PJT 24-1 (TacusselElectronique) y un esquema convencional de tres electrodos.Un electrodo de calomel saturado se utilizó como referenciay 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 yespesores de 2 rnm, de Cu, Al, Ti, Cd, Sn y Pb. Los tiemposde medición empleados fueron de 5 minutos, realizándose 10mediciones por cada muestra para lograr una buenaestadística de los resultados.

Fluctuaciones en las condiciones externas a la instalaciónexperimental pueden influir en la reproducibilidad de losresultados cuando los intervalos de tiempos son largos. Poresto la determinación del fondo, antes y después de cadamedición se aplicó para reducir ese tipo de errores.

Este experimento se simuló con el MCNP-4A (agregandoun muestra de vanadio). En dicha modelación se considerancomo electrones registrados a todos los que logran pasar alinterior de los detectores. La ventana de los detectores seanalizó por fluorescencia de rayos X y se determinó sucomposición (tabla 1).

El espesor se determinó con un MicroscopioMetalográfico NEOPHOT 32 (CarlZeiss/Jena, Alemania). Suvalores:

espesor =0.051 ±0.002mm

14 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 1, 2002.

Tabla 1: Composición de la ventana del detector.

Elerfrto 0/0

Fe,

75.&O- 17Ni 6.7Ti 0.33Mo 0.12

Los resultados mostraron que el corte energético, de losdetectores empleados, se encuentran entre los 250 keV y 300keV

La determinación del índice de retrodispersión, se obtuvoa partir de las pendientes de las curvas que se muestran en lafigura 3 relacionadas con la expresión l.

Los resultados fueron:

b =2.18±0.03exp

bmod=2.19±O.08

Esto demuestra que la modelación reproduce con buenaexactitud la instalación experimental.

16

-311

15o Modelado• Experimental

1

12

o

10+-~~~--r----r--~r-~'-~~ -42.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

In(Z}

Fig. 3: Comparación de los resultados experimentales y pormodelación 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 óxidocuproso.

A modo de valoración inicial de la sensibilidad del método,a capas de productos de corrosión, se midió la retrodispersiónen una muestra de cobre y luego se colocó entre esta muestray el haz de electrones una capa fina de óxidocuproso en.polvo.

La figura 4 demuestra que el aumento progresivo delespesor de la capa provoca un decrecimiento de los conteos,demostrándose así la sensibilidad del método a las capas depolvo.

26000 '

25500I! ;¡:

(J)

<O 25000"E<1> !!:lÜ 11

24500 .!

24000;¡

O 100 200 300 400 500 600espesor (mg/cm2

)

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

5.2 Prueba de sensibilidad al método electroquímico.

Se prepararon ocho muestras y se atacaron según lametodología descrita. En cuatro de ellas se depositó óxidocuproso y en el resto sal básica.

Se midió cada una, los resultados de los valores promediosde los coeficientes de retrodispersión fueron:

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

Cobre atacado

OE:!ÍlOO1

Como se observa en la tabla 2 no existen diferenciasapreciables entre los coeficientes de retrodispersión de lasmuestras puras y las atacadas. Para explicar este resultadose modeló en el MCNP-4A el experimento anterior, buscandoinformación sobre la eficiencia del sistema de detección.

La capa de sal básica no se pudo modelar dado que no seposee el valor de su densidad para las condicionesexperimentales; esto provocó que se realizara la simulaciónde las capas de óxido cuproso y cloruro cuproso. Se comparólos resultados de las simulaciones en las capas de productosde corrosión con respecto a una capa idéntica de cobre.

En la figura 5 se puede observar que los valores de lasdiferencias entre la cantidad de electrones retrodispersadosen la capa de cobre y la capa de óxido cuproso oscilanalrededor de cero. Este comportamiento demuestra que elmétodo no es capaz de resolver la diferencia entre ellas.

En el caso del cloruro cuproso se puede apreciar la marcadadiferencia entre la cantidad de electrones retrodispersadosen el cobre y en la capa de cloruro cuproso. Esta diferenciaimplica que el método es capaz de discernir entre estas doscapas.

Las energías de estos electrones e encuentran por debajodel corte energético de los detectores. Por esto la instalaciónes incapaz de diferenciar entre las muestras atacadas por víaelectroquímica y las de cobre puro.

1.Alonso y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 15

6. Estudio de la retrodispersión de electrones paradiferentes energías

Para determinar el rango energético óptimo en el estudiode las capas, se empleó una simulación que consta de: unafuente mono energética puntual colocada a una distanciadespreciable de la muestra, una capa de óxido cuproso de0.004 mrn, otra de cloruro cuproso de 0.003 mm. y una decobre con espesor mayor que el de saturación. Cada una delas capas de productos de corrosión se subdividió en capasde 0.0005 mm de espesor.

Se realizaron ocho simulaciones, variando la energía deemisión de la fuente mono energética, desde 50 keV hasta400 keV (con un paso de 50 keV). Los resultados de lassimulaciones para diferentes energías se pueden apreciar enla figura 6.

Espesor de la capa * 10'\mm)

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

En el caso del haz de electrones con energía de 50 ke V seobserva que sólo entre el 10 % Yel 15 % de los electronesretrodispersados entran al material. Esto concuerda con re-sultados reportados para una fuente de Ni63 [4]. Los electro-nes que son retrodispersados en la superficie de la muestrano son útiles para el estudio de espesores.

Para el caso de electrones con energía de 100 keV se ob-tiene la mayor cantidad de retrodispersiones en el interior de

la capa de productos de corrosión. Este rango energéticoaparece como el más adecuado para los estudios de compo-sición interna de las capas, dado que el haz sólo penetrahasta espesores de 4 um.

Para las energías entre los 150 keV y los 300 keV, se puedeapreciar la variación en la pendiente de las curvas debido a latransición entre la capa de óxido cuproso y la de clorurocuproso y ocurren interacciones en la capa de cobre.

A partir de los 300 ke V las interacciones de los electronescon los productos de corrosión y la matriz de cobre puro soncasi uniformes, o sea, los electrones retrodispersados noportan solamente información sobre la capa fina.

La probabilidad de que se produzcan dispersiones en lasuperficie de la muestra o en capas cercanas a la superficieaumenta con la disminución de la energía de la fuente que seemplee, provocando que se mejore la sensibilidad del méto-do para espesores muy finos. Estos resultados concuerdancon estudios previos en los que se recomienda el análisis demicro espesores con fuentes emisoras beta de bajas energías(Ni63, H3 YC14) y detectores con ventana de baja densidad ynúmero atómico, como por ejemplo: G-M con ventanas demica de espesor menor que 1.5 mg/cm'.

7. Referencias

l. K. K. Sharma and M. Singh, 1. Appl. Phys., 50 (3), (1979)1529-1532.

2. K. K. Sharma and M. Singh, 1. Appl. Phys., 51 (4), (1980)2239-2241.

3. L. Desdín, G. Capote, A. Leyva andL. Calderín, lRadioanaI.NucI. Chem., 37 (12), (1998) 163-165.

4. A. Damkjaer, J.AppI. Rad. 1sot, 27, (1976) 631-636.5. B. H. Colmery Jr.,A. A. MichandL. K. Han, U. S.A. Patent

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9. 1. F. Briesmeister et all, MCNP: General Monte CarIa N-particle transport code, Version 4A, Los Alamos NationalLaboratory Report LA -12625.