El dispositivo de haz externo del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (IFUNAM) ha sido diseñado de manera que sea versátil y se le pueda utilizar para realizar estudios diversos de una gran variedad de materiales de diferentes formas y tamaños.

El dispositivo de haz externo PIXE, como las demás técnicas basadas en aceleradores de partículas, requieren que el haz producido sea lo más monoenergético posible. Por lo tanto, la fuente de iones donde se producen las partículas y las líneas donde se acelera, enfoca y dirige el haz de partículas deben estar al vacío. Es ésta una de las razones por las que los análisis mediante haces de iones convencionalmente se realizan en una cámara que cumple con este requerimiento. Sin embargo, no todas las muestras pueden ser sometidas a un análisis al vacío ya sea porque su tamaño y forma no permitan introducirlas a la cámara, o sea difícil irradiarlas porque contengan elementos volátiles que se evaporan o subliman al someterlos a las bajas presiones, o bien, porque el análisis al vacío les cause algún otro tipo de daño.
Mediante un dispositivo de haz externo se puede extraer el haz a la atmósfera y realizar el análisis fuera de una cámara. El análisis mediante haz externo tiene varias ventajas. En este tipo de análisis no se tienen restricciones en cuanto al tamaño o forma de la muestra y su manejo y movimiento son más simples al irradiarlos. En la atmósfera se minimizan los posibles daños debido al aumento local de la temperatura producido por la energía depositada por el haz ya que se disipa el calor más fácilmente. También se reducen las alteraciones en la muestra producidas por la baja presión, como la volatilización de algunos elementos. Además, se evita el acumulamiento de carga en la superficie de las muestras aislantes y los efectos por descargas. De esta manera se pueden analizar, además de muestras y objetos sólido, muestras líquidas o gaseosas.

Descripción del dispositivo

La línea de haz externo del Laboratorio Peletrón del IFUNAM se colocó después de la cámara de análisis al vacío de PIXE-RBS-Channeling de la línea que se encuentra a -15°. La cámara cuenta con una caja de Faraday colocada detrás del portamuestras. Quitando ambos se pueden llevar a cabo análisis a la atmósfera. La línea de haz externo mide 1.30 m de largo y está a una altura de 1.20 m (figura 1).

Se colocó una pieza con una sección de cerámica aislante entre la cámara y la línea de haz externo para asegurar que la cámara de análisis no estuviera aterrizada pues de esta manera la cámara misma puede servir como una caja de Faraday. Tampoco la línea de haz externo se encuentra aterrizada. Después de la pieza de cerámica se encuentra una válvula manual que aísla la línea de haz externo del resto del acelerador. Una sección de fuelle sigue a la válvula y permite la movilidad del resto de la línea para realizar los ajustes necesarios para su alineación con el haz. Los soportes de cada parte de la línea permiten moverla horizontal y verticalmente sobre el plano perpendicular al haz de manera que el eje central de la línea coincida con él.
El vacío primario de la línea de haz externo se realiza con una bomba mecánica conectada mediante una válvula de acceso. Con un medidor de vacío se puede conocer la presión dentro de la línea. La bomba mecánica permite alcanzar una presión en el interior de  en 8 min. Una vez que se llega a esta presión se puede abrir la sección de haz externo a la línea y al resto del acelerador. El vacío secundario se realiza con la bomba turbomolecular de la cámara de análisis. Se cuenta con una válvula de venteo para romper el vacío de la línea de haz externo cuando sea necesario. Por supuesto, la línea debe estar aislada del resto del acelerador cada vez que se tenga que romper el vacío.
Las piezas de la línea están hechas de acero inoxidable, pero la nariz es de Al para evitar la interferencia de picos de rayos X o fondo en el espectro producidos por partículas del haz. La nariz es una pieza cónica de 10 cm de longitud. En la punta de la nariz se coloca una pieza de teflón con una abertura final de 5 mm de diámetro donde se ha pegado una ventana. La ventana que se ha utilizado para análisis mediante PIXE es de Al de 8 mm de espesor, pero se han preparado piezas intercambiables con ventanas de Kapton de 8 mm, Ni de 7.5  mm y Zr de 6 mm para otras aplicaciones. También se cuenta con una punta cilíndrica apropiada para geometrías de retrodetección de rayos X. Actualmente se está preparando además otro diseño con la nariz cilíndrica que incluya un soporte para un detector de Si que permita monitorear la carga por medio de los rayos X de la ventana.
Para definir el tamaño del haz se colocan dos colimadores de tantalio de diferentes diámetros en el interior de la línea. El más pequeño de ellos se sitúa en la unión de la nariz y el otro en la unión anterior (figura 2). Los colimadores se pueden conectar a un integrador para medir la corriente incidente en cada uno de ellos. Además se puede colocar un colimador externo (“antiscattering”) en la nariz del haz para disminuir su dispersión en la atmósfera. Este colimador puede tener un diámetro de 1.5 mm, 1 mm ó 0.5 mm. En un diseño alterno de estos colimadores externos se pueden interponer láminas delgadas de algún material entre el haz y la muestra para llevar a cabo análisis mediante PIXE diferencial . Colocando láminas del espesor y material adecuados se puede disminuir la energía, y por lo tanto la penetración, del haz en la muestra y así se obtiene información de su composición en diferentes profundidades. Éste es el principio físico de la técnica PIXE diferencial.
También se diseñó una pieza con tres diferentes posiciones que se mueve verticalmente desde el exterior de la línea mediante un vástago.  La primera posición permite dejar pasar el haz. En la segunda posición se puede medir la corriente con una caja de Faraday conectada a un integrador. Por último, en la tercera posición se puede visualizar la posición del haz en un vidrio esmerilado con una microcámara monocromática colocada debajo.

La muestra se sitúa en un soporte con movimiento en X, Y, Z para facilitar su colocación frente al haz. La distancia entre la muestra y la ventana es de 1.4 cm. Esta distancia se mantiene fija para que todas las muestras y los materiales de referencia se irradien bajo las mismas condiciones. Para asegurar que la distancia es la misma y localizar el punto de irradiación sobre la muestra se cuenta con un sistema de alineación por láser. Se utilizan dos láseres de diodo  uno con forma de cruz y el otro circular de 1 mm de diámetro. El centro de la cruz y el láser circular sólo coinciden en el punto de irradiación a la distancia adecuada entre la ventana y la muestra. Ambos láseres constan de una lente que permite enfocar y desenfocar los haces de luz en la superficie del objeto según se requiera. Frente a cada láser se colocó un atenuador para regular su intensidad.
El monitoreo de la muestra se lleva a cabo mediante una microcámara a color colocada en la parte superior de la nariz. Además se cuenta con un microscopio de 45 X con un campo de visión de 6.3 mm y una distancia de trabajo de 6.5 cm acoplado a otra microcámara a color para ver la región de irradiación con mayor detalle. Mediante un conmutador se puede ver la imagen de cada una de las cámaras en dos monitores. Asimismo, se cuenta con una videocámara que permite registrar la secuencia de las irradiaciones y/o el seguimiento de alguna irradiación particular.

Figura 3 Sistema de alineación porláser y monitoreo de la muestra.