Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física, 2004.

Directores: Dr. Kreiner Andrés; Dr. Debray Mario. CNEA Departamentote Física, Centro Atómico Constituyentes

En este trabajo se describe el diseño, la instalación y puesta en marcha del microhaz de iones pesados del acelerador Tandar, y a modo de ejemplo de aplicación relevante se detalla la primera serie de experimentos para los que se utilizó esta línea. Básicamente este microhaz es un sistema de óptica iónica en el que una lente magnética de alta precisión enfoca el haz de iones sobre la muestra dentro de un área del orden del micrón cuadrado.Completan al microhaz un sistema de control y adquisición para controlar y obtener información de la interacción del haz con la muestra.En la primera parte del presente trabajo se introducen los conceptos de óptica iónica necesarios para la comprensión del sistema, y los criterios básicos para el guiado del haz dentro de la línea.Además, en esta sección se describen las nociones elementales de dos técnicas analíticas utilizadas, STIM y PIXE. En STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy) se utiliza la pérdida de energía de los iones al atravesar la muestra para obtener información de su espesor y/o densidad. En PIXE (Particle Induced X-ray Emission) se determina la composición elemental de una muestra estudiando la emisión de rayos X al ser excitada por un haz de partículas cargadas. Luego se presentan dos simulaciones numéricas con las que se estudian dos puntos críticos a la hora de obtener un haz de dimensiones reducidas en este tipo de instalación, la influencia de la variación de la energía del haz de iones, y la generación de haz disperso en los bordes de los colimadores.
A continuación se encuentra una sección en la que se describe el diseño, la instalación y la puesta en marcha del microhaz.
En el diseño se prestó especial atención a la estabilidad mecánica, la aislación de vibraciones, y la eliminación de interferencias electromagnéticas, factores que pueden degradar considerablemente el funcionamiento del microhaz. Al mismo tiempo, se describen los criterios de diseño del sistema de vacío y la instrumentación utilizada para el guiado del haz dentro de la línea, y a adquisición de datos.
En lo que respecta a la instalación y puesta en marcha, se especifican los procedimientos utilizados para la alineación de los componentes durante el montaje, y para la alineación fina, la puesta a punto, y los procedimientos básicos para la operación de la línea, es decir, el guiado del haz a través de ella, y la obtención de un haz de dimensiones micrométricas.
Completan esta sección la medición del tamaño del foco del haz, para lo que se utilizaron tres procedimientos que combinan las técnicas STIM y PIXE.
Por último, se muestra el procedimiento utilizado para estudiar la microdistribución de una droga de potencial interés para la terapia por captura neutrónica en boro (BNCT) en cortes de tejidos de hámsteres. Esta droga contiene cobre, por lo que se utilizó el microhaz para obtener mapas de distribución de cobre en las muestras a nivel tisular, utilizando PIXE.
Para obtener información cuantitativa fue necesario desarrollar un método específico de corrección de tiempo muerto. Además, como la luz de iones pierde una considerable cantidad de energía al atravesar algunas de estas muestras, fue necesario corregir en función de la variación de la sección eficaz de producción de rayos X. Debido a la imposibilidad de obtener información de STIM (útil para realizar esta corrección) para todas las mediciones, se desarrolló un método mediante el cual es posible realizar esta corrección basado en la correlación entre el fondo de bremsstrahlung en los espectros de PIXE y la pérdida de energía del ión al atravesar la muestra.
Al final de esta sección se presentan los resultados obtenidos, donde se observa una gran inhomogeneidad en la distribución de la droga en el tejido.

English version:
This work describes the design, installation and startup of the heavy ion microbeam of the Tandar accelerator and, as an example of a relevant application, the first series of experiments where this experimental line was used.
Basically, this microbeam is an ion optics system where a high precision magnetic lens focuses the ion beam on a sample within an area larger than one square micron. Furthermore the microbeam consists of a control and data acquisition system to safely operate and to obtain information from the interaction between the beam and the sample.
The first section introduces the basic concepts on ion optics required to understand this system, and the basic criteria for guiding the particle beam through the experimental line. It also outlines the basic concepts of two analytical techniques used in this work, namely STIM and PIXE. In STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy) the energy loss of the ion as it travels through the sample is used to obtain information about its thickness and/or density. In PIXE (Particle Induced X-ray Emission) the elemental composition of the sample is determined by using the X-ray emission induced by the particle beam as it traverses and excites the sample.
As a next step, numerical simulations are presented for the study of two aspects of the microbeam which are critical when a beam of the smallest dimensions is required, namely the energy spread of the ions, and the disperse-beam generation in the jaws of the slits.
The subsequent section describes the design, installation and startup of the microbeam. The design emphasizes the mechanical stability, the isolation of vibrations, and the elimination of electromagnetic interferences, which can degrade the performance of the microbeam. At the same time this section describes the design criteria concerning the vacuum system, the instrumentation used for guiding the beam, and the data acquisition system and procedures.
Concerning the installation and startup, it also presents the procedure for the first alignment of the components during assembly, the fine alignment, the tuning of the microbeam, and the basic procedures for the setup operation.
This section is completed by the measurement of the beam spot size, where three procedures combining PIXE and STIM were used.
Finally, the new facility is utilized to study the microdistribution of a drug of potential interest for Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) on cancerous and normal hamster tissue samples.
Cupper distribution maps at tissue level using PIXE were produced using the microbeam because this drug carries cupper in its structure. To obtain quantitative information a specific method for dead time corrections was developed. Also, a correction of the X-ray spectra was implemented to account for the considerable amount of energy loss of the beam in the sample and the associated X-ray production cross section variation. Since it is very cumbersome in practice to obtain STIM information for each sample, a method was designed which enables us to perform the finite- thickness corrections using the bremsstrahlung background.
At the end of this section results on microdistributions in different tissue types are presented. Particularly the cancer tissue samples show a large non-homogeneity in the distribution of this drug.