FAP5844 - Técnicas de Raios-X e de feixe iônico aplicados à análise de materiais

1. Universidade de São Paulo Instituto de Física FAP5844 - Técnicas de Raios-X e de feixe iônico aplicados à análise de materiais Manfredo H. Tabacniks outubro 2006

2. OUTUBRO NOVEMBRO

3. PIXEParticle Induced X-ray EmissionED-XRFEnergy Dispersive X-Ray Fluorescence WD-XRF Wavelength Dispersive... • Tabacniks, Manfredo Harri. Análise de Filmes Finos por PIXE e RBS. São Paulo: Instituto de Física da USP, 2000. • Jim Heiji Aburaya, Padronização de Análises PIXE de Amostras Sólidas em Alvos Espessos, Dissertação de Mestrado, IFUSP 2005 • Virgílio F. Nascimento Filho, Técnicas Analíticas Nucleares De Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (ED-XRF) e por Reflexão Total (TXRF), Julho/99

4. PIXE - XRF Princípios Básicos Partícula incidente Raio X ionização emissãode Rx emissão de e-Auger transição Koster-Krönig rendimento fluorescente Adaptado de Govil, I. M., Current Science, Vol. 80, No. 12, 25 June 2001

5. 2. 1. transições de dipolo Raio X 4. • Ionização da camada K • Emissão de raio X • Elétrons Auger • Transição de Koster-Kroning

6. Equações do PIXE • Equação Geral do PIXE • PIXE de Alvos Finos • PIXE de Alvos Espessos

7. PIXE arranjo experimental

8. Geometria experimental: PIXE ou ED-XRF ou raio-X

9. Equação geral do PIXE Quantidade de raios X detectados Quantidade de partículas incidentes Ângulo sólido de detecção Concentração elementar Eficiência de detecção Auto absorção de raios X Energia inicial das partículas incidentes Seção de choque de produção de raios X Freamento das partículas incidentes

10. Equação geral do PIXE Quantidade de raios X detectados Quantidade de partículas incidentes Ângulo sólido de detecção Concentração elementar Eficiência de detecção Auto absorção de raios X Energia inicial das partículas incidentes Seção de choque de produção de raios X Freamento das partículas incidentes

11. Equação geral do PIXE Quantidade de raios X detectados Quantidade de partículas incidentes Ângulo sólido de detecção Concentração elementar Eficiência de detecção Auto absorção de raios X Energia inicial das partículas incidentes Seção de choque de produção de raios X Freamento das partículas incidentes

12. Equação geral do PIXE Quantidade de raios X detectados Quantidade de partículas incidentes Ângulo sólido de detecção Concentração elementar Eficiência de detecção Auto absorção de raios X Energia inicial das partículas incidentes Seção de choque de produção de raios X Freamento das partículas incidentes

13. PIXE de Alvos Finos • Auto absorção de raios X desprezível

14. PIXE de Alvos Finos • Auto absorção de raios X desprezível 1

15. Freamento das partículas incidentes desprezível: E(z)E0 PIXE de Alvos Finos

16. Equação geral do PIXE

17. Equação geral do PIXE Equação do PIXE de Alvos Finos

18. Equação do PIXE de Alvos Finos Arranjo Experimental Equação reduzida Fator de resposta Fator de resposta Medidas Experimentais [mg/cm2]

19. Resumo Gráfico: Calibração e Limites de Detecção Calibração PIXE (alvo fino) Rendimento efetivo PIXE e RBS Discriminação de elementos vizinhos Limites de Detecção

20. O problema dos elementos “invisíveis” Análise PIXE não detecta os elementos com Z<11 Uma fração dos elementos não detectados pode ser estimada... ...mas isso não basta para uma solução única da integral:

21. PIXE de Alvos Espessos Equação reduzida [mg/g] Medidas Experimentais Fator de resposta Arranjo Experimental

22. Fator de Correção alvo espesso alvo fino

23. Fator de Correção alvo espesso alvo fino

24. Fator de Correção alvo espesso alvo fino

25. Matriz da amostra Fator de Correção

26. Bases de Dados • Seção de choque de produção de raios-X • Razão de intensidades Kb/Ka • Rendimento de Fluorescência • Seção de Choque de Ionização • Poder de Freamento • Absorção de Raios X

27. Seção de Choque de Produção de Raios X Correspondente à emissão de Ka Razão de intensidades Kb/Ka Rendimento de Fluorescência JOHANSSON, S. A. E.; CAMPBELL, J. L. (1988). Seção de Choque de Ionização

28. Razão de Intensidades Kb/Ka • SCOFIELD, J. H. Exchange corrections of K x-ray emission rates, Phys. Ver. A, 9, 1041, 1974. • PERUJO, J. A. et al. Deviation of K/K intensity ratio from theory observed in proton-induced x-ray spectra in the 22Z32 region, J. Phys. B, 20, 4973, 1987. Rendimento fluorescente • BAMBYNECK, W. in Johanssen & Campbell, PIXE a novel Technique for Elemental Analysis, John Wiley and Sons, 1988. Seção de choque de ionização • BRANDT, W.; LAPICKI G. Phys. Rev. A, 20, 465, 1979. • BRANDT, W.; LAPICKI G. Phys. Rev. A, 23, 1717, 1981. • JOHANSSON, S. A. E.; JOHANSSON, T. B. Nucl. Instr. And Meth., 137,476, 1976. Absorção de raios-X BERGER, M. J.; HUBBELL, J. H. XCOM Photon Cross Sections on a Personal Computer, Gaithersburg: Center for Radiation Research NBS (National Bureau of Standards), 1988.

29. XRF - Formulação básica Excitação monocromática matriz (meio) A probabilidade P1 da radiação de excitação atingir a camada dx a uma profundidade x e ângulo de incidência q0: elemento medido A probabilidade P2 da radiação de excitação produzir uma vacância nos átomos de um elemento de interesse contidos na camada dx, com consequente produção de raios X característicos: seção de choque para efeito fotoelétrico jump ratio razão de emissão da linha i

30. Jump Ratio (Razão de salto) Probabilidade de ionizar elétron das camadas K, L,M,N... Probabilidade de ionizar elétron das camadas L,M,N...

31. XRF - Formulação básica A intensidade fluoresente dI é dada por : K fator geométrico definindo : rx incidente rx característico Concentração elementar relativa A probabilidade P3 do raio X K característico produzido na camada dx atingir o detector e ser detectado:

32. XRF - Formulação básica Amostra fina Amostra espessa Sensibilidade Concentração elementar relativa Densidade superficial

33. PIXE x XRF

34. PIXE x XRF Limites de detecção PIXE PIXE x XRF Geological samples (pellets) Ext. PIXE H+, 2.5MeV, 50nA XRF (Fe, Mo, Sm) 1 min, 2000 cps. Malmqwvist, NIM B22 (1987) 386