Introducción
⌅El efecto de la radiación ionizante sobre los materiales, conocido como daño radiacional (DR), puede conducir a la degradación de sus propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas, etc., llevando a su deterioro e incapacidad de correcto desempeño en la aplicación donde se encuentra. Sin embargo, también se ha demostrado que, bajo determinadas condiciones, los efectos de las radiaciones pueden tener un resultado contrario, potenciando la optimización de la estructura del blanco, que conduce a una manifestación más eficiente de algunas de sus propiedades.
El conocimiento de la resistencia a la radiación de los materiales semiconductores, nanoestructurados, superconductores, semiconductores, etc., garantizará que éstos se puedan emplear de forma segura en las aplicaciones médicas, científicas o industriales que las requieran, a la par de que faciliten el desarrollo de nuevos y más útiles materiales.
El Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) desde el año 1990 tiene en su Departamento de Física un colectivo de especialistas de las ramas nucleares y de la ciencia de los materiales que orientaron sus esfuerzos científicos al estudio del DR en materiales sólidos de interés nuclear. Hasta el día de hoy estos colegas desarrollan investigaciones teóricas y experimentales en este campo con blancos que van desde cerámicas superconductoras de alta temperatura crítica (SCAT), hasta avanzados materiales semiconductores como el GaAs:Cr empleado en la fabricación de detectores híbridos.
Este trabajo pretende hacer un muy resumido recorrido por las principales actividades que ha realizado este colectivo de especialistas, mostrando algunos de sus resultados.
Materiales y métodos empleados en las investigaciones
⌅Los superconductores de altas temperaturas críticas (SCAT) fueron el primer material estudiado por los especialistas de DR del CEADEN. Sus potencialidades para el transporte económico y sin pérdidas de muy altas corrientes, imprescindible en las ciencias nucleares, despertaron el interés hacia ellos. El YBa2Cu3O7-γ (YBCO) masivo, sintetizado en el propio CEADEN [1[1] LEYVA A, CRUZ C, ARAGÓN B, SUÁREZ JC, MORA M. Obtención de cerámicas superconductoras con el empleo de reactivos cubanos. Optimización del método de síntesis. Reporte de la Comisión de Energía Atómica de Cuba. CEAC-R 1/91. p. 1-11.], fue el SCAT masivo más profusamente estudiado, aunque también se investigaron sus capas gruesas, cerámicas de Bi2Sr2CaCu2O8+y y otros.
Una vez que el CEADEN logró dar sus primeros pasos en el campo de las nanociencias al sintetizar nanocebollas de carbono (NCC) [2[2] DARIAS J, CARRILLO E, CASTILLO R, ARTECHE J, et al. Sistema de descarga de arco sumergida para la síntesis de nanoonions de carbono multicapas. Revista Cubana de Física. 2011; 28(1): 2-3. https://doi.org/10.1016/B0-12-227410-5/00411-7.], estas y otras formas alotrópicas del carbono pasaron a ser también blancos de los estudios del DR.
En colaboración con el Instituto Unificado de Investigaciones Nucleares (IUIN) de Rusia, se estudió la resistencia a la radiación de un grupo de detectores híbridos. Estos detectores estaban destinados a la realización de experimentos de Física de las Altas Energías y aplicaciones de imagenología médica y otras. Entre los materiales sensores de esos detectores se seleccionó el arseniuro de galio compensado con cromo (GaAs:Cr) [3[3] AYZENSHTAT GI, BUDNITSKY DL, KORETSKAYA OB, NOVIKOV VA, et. al. GaAs resistor structures for X-ray imaging detectors. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2002; 487: 96-101. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(02)00951-8.], al ser el más prometedor, pero también se estudiaron el CdTe, los clásicos Si y Ge, etc.
Otros materiales que en distintos momentos fueron objeto de los estudios sobre el DR en el CEADEN se pueden mencionar al silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), las perovskitas ferralíticas, los cristales centelladores, etc.
Los blancos de las investigaciones siempre se irradiaron a temperatura ambiente. Como fuentes de rayos gamma se emplearon las dos cámaras gammas 60Co MPX-γ-25M e ISOGAMMA-LLCo del CEADEN, y algunas fuentes patrones, como las de 57Co y 137Cs.
Como fuente de electrones se utilizó el acelerador lineal LINAC-200 de IUIN con una energía de salida de aproximadamente 20 MeV, mientras que el ciclotrón U-400M de esa misma Institución se empleó para irradiar los blancos con iones pesados de 22Ne acelerados hasta energías de 77 y 158 MeV.
Para la caracterización galvanomagnética se utilizaron métodos clásicos como el de Kelvin y la susceptibilidad magnética dinámica. También se midieron las características voltampéricas, capacitancia vs. voltaje, eficiencia de colección de cargas, y otras propiedades de los detectores, siempre en función del tipo, energía y dosis de radiación.
Para los estudios microestructurales se emplearon la Difracción de Rayos X (DRX), la Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y la Espectroscopía Raman.
Como herramienta complementaria se empleó la simulación matemática de los procesos físicos. Para eso se utilizaron sistemas de códigos profesionales, como el MCNPX [4[4] WATERS LS, McKINNEY GW, DURKEE JW, FENSIN ML, et. al. The MCNPX Monte Carlo Radiation Transport Code. AIP Conference Proceedings, 2007; 896(1): 81. https://doi.org/10.1063/1.2720459.] y el SRIM-2013 [5[5] ZIEGLER JF, ZIEGLER MD and BIERSACK JP. SRIM the stopping and range of ions in matter. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2010; 268(11-12): 1818-1823. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091.], de conjunto con programas propios.
Entre estos últimos se contó con el MCCM (Método Clásico asistido por Monte Carlo) para el cálculo de las distribuciones del número de desplazamientos por átomos (dpa) en materiales sólidos [6[6] PIÑERA I. Simulation of atom displacements distribution profiles induced by photons and electrons in solid materials [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116687. https://hdl.handle.net/10067/1166870151162165141.]. Este programa hace uso de las teorías de dispersión elástica de los electrones y de las salidas del sistema de códigos MCNPX, permitiendo incluir el aporte de los positrones en los cálculos y analizar la contribución de cada especie atómica.
También se desarrolló y utilizó en las investigaciones una nueva metodología denominada “Simulación de Desplazamientos Atómicos mediante el Método de Monte Carlo” (MCSAD) [7[7] CRUZ CM, PIÑERA I, CORREA C, ABREU Y, et. al MCSAD: Monte Carlo Simulation of Atom Displacements induced by Fast Electrons in Solids. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. Valencia, Spain, 2011; RTSD.S-282: 4622-4626. DOI: 10.1109/NSSMIC.2011.6154746 ] en la que se hace énfasis en simular y realizar el muestreo estadístico del proceso de formación de los dpa durante el transporte de las radiaciones gamma y electrónica.
Otras metodologías teóricas se emplearon ampliamente, como la Dinámica Molecular (DM) y la Teoría del Funcional de Densidad (DFT).
Algunos resultados obtenidos
⌅Las muestras de YBa2Cu3O7-δ, cerámica SCAT por excelencia, al ser expuestas a las radiaciones gamma revelaron que, en general, a bajas dosis y para diferentes energías de la radiación, tienen una respuesta sistemática y característica [8[8] LEYVA A. Efectos de las Radiaciones Gamma sobre Cerámicas Superconductoras de interés en las tecnologías nucleares [tesis doctoral]. Facultad de Física, Universidad de La Habana. Cuba. Abril, 2014.]. Se esclareció que a nivel intragranular se inducen efectos positivos que fortalecen los mecanismos de la superconductividad. Este efecto resulta simultáneamente modulado por una acción radiacional que debilita las junturas de Josephson, lo que trae como consecuencia un detrimento sistemático de las propiedades extrínsecas de transporte.
La figura 1(a) presenta la dependencia de la temperatura crítica, Tc, con la dosis de exposición para dos muestras. La Tc del material crece con la dosis hasta un valor máximo, tras el cual, comienza a caer de forma continua. El pico de Tc ocurre para una dosis ubicada entre los 100 y 200 kGy. Esta acción peculiar de la radiación gamma sobre los SCAT se sustenta principalmente en dos efectos: el relacionado con la demostrada capacidad de los rayos gamma de estimular la reorganización de la estructura cristalina del material; y el asociado a la intensificación de los movimientos difusivos de las vacancias de oxígeno inducida por la interacción de la radiación electrónica secundaria con el material.
La dependencia de los parámetros de la red con la dosis en una de las cerámicas se presenta en la figura 1(b), y corrobora la capacidad de las radiaciones del 60Co, a bajas y medianas dosis, de facilitar el reordenamiento de los oxígenos estructurales, proceso que conlleva a la uniformidad cristalina de las cadenas Cu-O. Alcanzada la estructura termodinámicamente más estable, cualquier incremento de la dosis conlleva a un sobredopaje de defectos que modifica la estructura negativamente.
El estudio de las nanoestructuras se inició con el empleo de la MEB, orientada a un grupo de muestras de NCC, detectándose que estas eran inhomogéneas [9[9] LAGE J, LEYVA A, TOLEDO C, PIÑERA I, et. al. Electrical resistance behavior with gamma radiation dose in bulk carbon nanostructured samples. Proceedings of the XIV Workshop on Nuclear Physics and VIII International Symposium on Nuclear and Related Techniques. WONP-NURT'2013. Havana, Cuba. February 5-8, 2013. Identifier: PS-RP24: 141-144. ISBN 978-959-7136-98-9.], pues además de las NCC se observaban la presencia de NTC simples y de paredes múltiples, carbono amorfo, etc. Luego de la exposición a las radiaciones gamma aparecían evidencias de un fenómeno de ruptura en los nanotubos presentes, con la consiguiente reducción de su longitud.
La dependencia de R vs. dosis en las NCC mostró un incremento inicial que alcanzó un valor máximo ubicado entre 100 kGy - 140 kGy, seguido de una caída monótona en el resto del intervalo de dosis (figura 2 (a)). Este comportamiento es consecuencia de la competencia entre los procesos de generación de nuevos defectos puntuales, su aniquilación y la formación de defectos más complejos que conducen al fortalecimiento de las uniones entre las nanopartículas presentes en la muestra. Las mediciones V-I para varias dosis, figura 2 (b), confirman que las propiedades de conducción de las muestras mejoran cuando la dosis de irradiación sobrepasa cierto valor umbral, manifestándose una transición de la conductividad eléctrica del tipo semiconductor al tipo metálico.
La espectroscopía Raman ha resultado muy útil, por ejemplo, para estudiar el DR en los semiconductores, entre los que estuvo el GaAs:Cr. Las muestras de este material, base para la fabricación de detectores avanzados, fueron expuestas a los rayos gamma del 60Co y a un haz de electrones de 20 MeV, y se analizaron mediante esta técnica. Un ejemplo de los espectros Raman tomados antes y después de la irradiación electrónica en una misma muestra se presenta en la figura 3(a).
Aunque a simple vista se aprecian sensibles diferencias, la deconvolución de los espectros (figura 3(b)), mostró que en el material estaban teniendo lugar significativos procesos estimulados por la radiación que conducen a la relajación del estado tensional de la estructura, al incremento de la cristalinidad, y a la disminución de la concentración de portadores libres, que en algunos casos llegó a ser del 2.31 % [10[10] LEYVA A, LEYVA D, RUBIERA JA, CRUZ CM, et. al. Study by Raman Spectroscopy of the induced radiation damage in GaAs:Cr exposed to 20 MeV electron beam. Revista Cubana de Física. 2021; 38(1): 4-9. ]. Los cambios observados deben estar relacionados con la generación de defectos de tipo Frenkel en la subred del arsénico, y a cambios radiacionalmente estimulados en la cantidad y características de defectos preexistente de mayor complejidad.
Se utilizaron también métodos galvanomagnéticos para caracterizar algunos detectores semiconductores, como el basado en GaAs:Cr, estudiándose la dependencia con la dosis recibida de importantes características como I-V y C-V. Los gráficos presentados en las figuras 4(a,b) muestran el comportamiento de estas dos características para diferentes valores de dosis de exposición al haz de electrones de 20 MeV [11[11] KRUCHONAK U, ABOU EL-AZM S, AFANACIEV K, CHELKOV, et. al. Radiation hardness of GaAs:Cr and Si sensors irradiated by electron beam. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2020; 975: 164204-164214. doi: 10.1016/j.nima.2020.164204.].
Se aprecia la presencia de una ligera asimetría en l-V, más pronunciada a más altas dosis, que probablemente esté relacionado con la distribución asimétrica de potencial dentro del dispositivo, y que se modifica con el DR. Estas mediciones mostraron que la corriente de fuga aumentó de 3 a 7 veces con las dosis máximas alcanzadas, y puede ser debido a la introducción de daños por desplazamiento en el material, correspondientes a defectos primarios y complejos que conducen a la formación de nuevos niveles profundos en la banda prohibida.
En otro experimento, detectores Timepix con sensores GaAs:Cr y de Si fueron expuestos a haces de iones de neón de energías 77 y 158,4 MeV [12[12] ABU AL AZM SM, CHELKOV G, KOZHEVNIKOV D, GUSKOV A, et. al. Response of Timepix detector with GaAs:Cr and Si sensor to heavy ions. Physics of Particles and Nuclei Letters. 2016; 13(3): 363-369. ]. Se confirmó la aparición del conocido como “efecto volcán” en el detector con sensor Si (tipo np), aunque estuvo absolutamente ausente en Timepix con sensor GaAs:Cr. Este fenómeno no se asocia a un posible DR, sino a efectos internos electrónicos vinculados con la protección para cargas de entrada muy altas en modo de recolección de huecos. Se empleó el sistema de códigos SRIM-2013 para calcular el alcance de los iones de 22Ne para ambas energías en los dos blancos, y se estimó que en todos los casos más del 99.5 % de la energía depositada se pierde en procesos vinculados a la ionización, mientras que a la producción de daño en el material apenas va entre el 0.01 y el 0.008%.
Múltiples trabajos teóricos y las dos metodologías desarrolladas en el Laboratorio (MCCM y MCSAD) han permitido evaluar en detalles el DR en un amplio espectro de materiales con resultados novedosos en este campo. Estos procedimientos posibilitaron calcular las energías umbrales de desplazamiento, Td, para los átomos blanco, estudiar las secciones eficaces de producción de dpa, evaluar las distribuciones de los dpa con la profundidad y energía incidente, estimar los aportes de los sitios cristalinos y de cada especie atómica a los dpa, etc.
Las siguientes imágenes presentadas en la figura 5 son ejemplos de estas investigaciones. Por medio de los flujos de energía de partículas secundarias calculados con el MCNPX para detector GaAs:Cr de 900 µm, se pudo determinar con el código MCCM la distribución del número dpa, como se muestra en el ejemplo de la figura 5(a), para diferentes energías de fotones incidentes y para cada tipo de átomo [13[13] LEYVA A, RUBIERA JA, LEYVA D, PIÑERA I, et. al. Monte Carlo simulation of the radiation transport in chromium compensated gallium arsenide detectors. Nucleus, 2018; (64): 19-23.]. Estas dependencias muestran que los perfiles de Ndpa aumentan con la energía del fotón, destacándose que con el aumento de la energía hasta los 6 MeV la cantidad de dpa correspondientes a los átomos de Ga y As se acercan entre sí; a partir de entonces la relación permanece inalterable.
La figura 5(b) presenta la distribución con la profundidad del número de vacancias calculado con el código SRIM, modelando la implantación de Mn+ en un blanco de perovskita BaTiO3, a 250 keV [14[14] GONZÁLEZ E, ABREU Y, CRUZ CM, PIÑERA I, et. al. Molecular-dynamics simulation of threshold displacement energies in BaTiO3. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2015; 358: 142-145. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.06.015 ]. La originalidad de esta simulación consistió en emplear para las diferentes especies atómicas las Td calculadas aplicando los conceptos de DM y DFT. Los resultados fueron comparados con ensayos similares reportados en la literatura.
Las siguientes referencias generales son el compendio de los trabajos más importantes del colectivo dedicado al DR en el CEADEN, y que por déficit de espacio no han podido ser presentados en estas páginas [6[6] PIÑERA I. Simulation of atom displacements distribution profiles induced by photons and electrons in solid materials [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116687. https://hdl.handle.net/10067/1166870151162165141.,8[8] LEYVA A. Efectos de las Radiaciones Gamma sobre Cerámicas Superconductoras de interés en las tecnologías nucleares [tesis doctoral]. Facultad de Física, Universidad de La Habana. Cuba. Abril, 2014.,15[15] ABREU ALFONSO Y. Hyperfine parameters and radiation damage in semiconductors and superconducting materials. [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116686. https://hdl.handle.net/10067/1166860151162165141 -19[19] CRUZ CM, PIÑERA I, LEYVA A, ABREU Y, et. al. Simulación numérica de procesos de desplazamientos atómicos inducidos por las radiaciones gamma y electrónica: herramientas y sistemática. Premio de la Academia de Ciencias de Cuba 2016. La Habana, Cuba.].
Finalmente se destaca que como resultado de las investigaciones en DR del CEADEN en el periodo 1990 al 2023 se publicaron 135 artículos científicos en diversas revistas, 1 capítulo de un libro [20[20] CRUZ CM, PIÑERA I, LEYVA A, ABREU Y. Studies on the Gamma Radiation Responses of High Tc Superconductors. In: Superconductor. Chapter 7. p.135-160. 2010. doi: 10.5772/10122.], se presentaron 185 ponencias en eventos varios, y defendieron 42 Tesis de Licenciatura en Física Nuclear, tres Tesis de Maestría y tres Tesis de Doctorado [6[6] PIÑERA I. Simulation of atom displacements distribution profiles induced by photons and electrons in solid materials [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116687. https://hdl.handle.net/10067/1166870151162165141.,8[8] LEYVA A. Efectos de las Radiaciones Gamma sobre Cerámicas Superconductoras de interés en las tecnologías nucleares [tesis doctoral]. Facultad de Física, Universidad de La Habana. Cuba. Abril, 2014.,15[15] ABREU ALFONSO Y. Hyperfine parameters and radiation damage in semiconductors and superconducting materials. [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116686. https://hdl.handle.net/10067/1166860151162165141 ], y diseñó e imparte una asignatura docente vinculada a la temática del DR en el InSTEC. El Laboratorio fue distinguido con cuatro Premios de la ACC [15[15] ABREU ALFONSO Y. Hyperfine parameters and radiation damage in semiconductors and superconducting materials. [tesis doctoral]. Departamento de Física, Universidad de Amberes, Bélgica. Abril, 2014. Identifier: c:irua:116686. https://hdl.handle.net/10067/1166860151162165141 -19[19] CRUZ CM, PIÑERA I, LEYVA A, ABREU Y, et. al. Simulación numérica de procesos de desplazamientos atómicos inducidos por las radiaciones gamma y electrónica: herramientas y sistemática. Premio de la Academia de Ciencias de Cuba 2016. La Habana, Cuba.] y sus dos investigadores principales recibieron la Orden Carlos J. Finlay.
Los efectos de las radiaciones nucleares sobre las propiedades de los materiales sólidos continúan siendo de gran interés científico y tecnológico. Mantiene plena vigencia la necesidad del hombre de conocer en detalles el comportamiento de los materiales en los ambientes radiacionalmente agresivos donde se encontrarán. Bien puede ser en la imagenología médica, en la industria de la microelectrónica, la esterilización de productos, la nucleoenergética, investigaciones básicas del micromundo, etc. Y no solo es imprescindible conocer cómo será el desempeño y la resistencia a las radiaciones de los diferentes materiales, sino que también estamos convocados a emplear eficientemente sobre ellos la llamada “ingeniería asistida por defectos”, posibilidad fascinante de modificar conscientemente las propiedades de un material bajo el efecto de las radiaciones.
En este contexto, la larga experiencia en el tema acumulada por los especialistas del CEADEN, y la pericia de éstos para dirigir sus esfuerzos a cualquier material que se entienda y constituya interés de la institución, la AENTA o el país, hacen que se cuente con una fortaleza única en Cuba apta para hacer frente a la tarea en la temática, por compleja o futurista que pueda parecer.
Conclusiones
⌅El Laboratorio de DR del CEADEN durante más de treinta años de existencia ha tenido una trayectoria constante y fructífera en resultados, algunos de ellos expuestos muy brevemente en este trabajo. El núcleo del colectivo permanece activo y en su haber tienen más de 135 publicaciones, 185 ponencias en eventos, cuatro Premios de la ACC y otros altos estímulos, además de una muy amplia actividad docente. Indiscutiblemente, el CEADEN cuenta con una fortaleza humana única en Cuba apta para continuar acometiendo cualquier tarea en la temática.