ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ PIXE (Particle Induced X-ray Emission)

1. ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ PIXE(Particle Induced X-ray Emission) ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΤΖΩΡΤΖΗΣ κ.ΡΟΖΑ ΒΛΑΣΤΟΥ

2. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ • 1)ΦΥΣΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ • 2)ΜΕΡΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ • 3)ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

3. ΑΚΤΙΝΕΣ Χ • Χρήση του απλοποιημένου μοντέλου των σφαιρικών φλοιών • Διέγερση ατόμου και αποδιέγερση με εκπομπή H/M ακτινοβολίας με ενέργεια ίση με τη διαφορά των φλοιών που εμπλέκονται στην ηλεκτρονιακή μετάπτωση • Το είδος της Η/Μ ακτινοβολίας που εκπέμπεται εξαρτάται άμεσα από τον υποφλοιό από τον οποίο παρατηρείται η ηλεκτρονιακή μετάπτωση. • Για παράδειγμα, η δημιουργία οπής στον Κ φλοιό ενός ατόμου η οποία συνοδεύεται από μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από τον L3 υποφλοιό οδηγεί στην εκπομπή Κα1 χαρακτηριστικής ακτίνας Χ.

4. ΑΚΤΙΝΕΣ Χ

5. ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ MOSELEY • To 1914 o Moseley μελετώντας το γραμμικό φάσμα των ακτίνων Χ παρατήρησε ότι υπάρχει εξάρτηση της ενέργειας και του ατομικού αριθμού η οποία συνοψίζεται στην ακόλουθη σχέση √Ε=C(Z-σ) C=σταθ.(κοινή για την ίδια χαρακτηριστική ακτίνα Χ όλων των στοιχείων), σ=σταθερά θωράκισης Ειδικότερα, για τις Κα χαρακτηριστικές ακτίνες των στοιχείων βρέθηκε ότι Ε=C(Z-1)2,C=0,102keV

6. EIΣΑΓΩΓΗ • Όλο το εύρος των αναλυτικών μεθόδων με δέσμες ιόντων βασίζονται στην ίδια αρχή: αρχικά, μια δέσμη ιόντων ΜeVενέργειας στοχεύει ένα δείγμα. Τα ιόντα διεισδύουν στο υλικό χάνοντας ενέργεια συνεχώς. Κατά τις τροχιές τους υπάρχει πιθανότητα να συγκρουστούν με νουκλεόνια ή ηλεκτρόνια. Έπειτα, τα προϊόντα αυτών των αντιδράσεων εκπέμπονται από το δείγμα με πιθανότητες που καθορίζονται απ την ενεργό διατομή κάθε αντίδρασης και τελικά συλλέγονται σαν ένα φάσμα που ‘κουβαλάει’ την πληροφορία για τη χημική σύσταση του δείγματος. • RBS,ERDA,NRA,PIGE

7. PIXE -Johansson(1970,Lund university, Σουηδία) -Si(Li) ανιχνεύει χαρακτηριστικές ακτίνες Χ από δείγμα που ακτινοβολείται από ΜeV p+ ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ 1)Πολλαπλές ανελαστικές σκεδάσεις των ιόντων και των ατόμων του δείγματος 2)Η ενέργεια των ιόντων θα μειώνεται κατά μήκος της τροχιάς τους (stopping power) 3)Kάποια από τα άτομα του δείγματος θα ιονιστούν και θα δώσουν ακτίνες Χ με πιθανότητα που θα δίνεται από την ενεργό διατομή της αντίδρασης 4)Οι ακτίνες Χ δεν θα βγουν από το δείγμα (X ray attenuation)

8. ACCELATORS • Ηλεκτροστατικοί επιταχυντές (Van de graaf,tandem κ.α.) • Τandem:Χρησιμοποιεί ένα τερματικό δυναμικό σε δύο στάδια για το διπλασιασμό της ενέργειας που επιτυγχάνεται σε απλούς επιταχυντές. • Παραγωγή θετικών ιόντων(50 keV)μετατροπή σε αρνητικά ιόνταεκτρέπονται με τη βοήθεια μαγνήτη και επιτάχυνση σε 1οστάδιοέλξη από θετικό δυναμικό(V eVolts)στην περιοχή του τερματικού ηλεκτροδίου διασχίζουν ένα λεπτό υλικό σε αέρια μορφή και αποβάλλουν n ηλεκτρόνιαθετικά ιόντα με φορτίο neεπιτάχυνση σε 2ο στάδιο με ενέργεια nVeVolts • Εολ=(1+n)V eVolts +Eαρχ

9. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ - Η απόδοση(yield) της χαρακτηριστικής ακτίνας Χ ενός i-στοιχείου του δείγματος προς την κατεύθυνση του ανιχνευτή: Yi=Q/e ∫c(x)σi(E(x))e(-μx/cosθ)dx όπου c(x):συνάρτηση συγκέντρωσης του i στοιχείου,Q:συνολική έκθεση του δείγματος στα εισερχόμενα ιόντα(φορτίο),σi:ενεργός διατομή,μ:σταθερά εξασθένησης των ακτίνων Χ -Η σχέση μεταξύ της έντασης των ακτίνων Χ και της συγκέντρωσης ενός στοιχείου: I=QcKμε c:σταθ.,Κ:calibration constant(ανεξάρτητο από γεωμετρία και σχήμα) Κ=ε ∫σi(E(x))e(-μx/cosθ)dx

10. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Συνοψίζοντας: -Γνώση πάχους και σχήματος του δείγματος -Για να υπολογίσουμε τις απαραίτητες ποσότητες για ένα πείραμα PIXE: A.)θεωρητικοί υπολογισμοί από μαθηματικές σχέσεις(Κ,σ,μ) (fundamental approach) B.) σύγκριση με γνωστά δείγματα - Οι μεγαλύτερες αβεβαιότητες υπάρχουν στην ενέργεια των ιόντων(Ε),στο φορτίο(Q), στη γεωμετρία(θ,φ) και στην απόδοση του ανιχνευτή(ε).

12. VACUUM SYSTEMS • Η δέσμη σωματιδίων μεταφέρεται στο θάλαμο στόχου μέσω σωλήνα υψηλού κενού • Κενό 10-3-10-4Pa πίεσης αρκετά ικανοποιητικό • Αμελητέα απώλεια ενέργειας(1eV/1m)

13. COLLIMATORS AND DIFFUSER • Η ενεργός διατομή της δέσμης θεωρητικά ακολουθεί γκαουσιανή κατανομή • Ομοιομορφία της δέσμηςdiffuser and collimators • Diffuser:άκαμπτο υλικό, υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα(Αl, Cu, Ag, Au) • O Montenegro βασιζόμενος στη θεωρία Mayer βρήκε μια σχέση μεταξύ της αβεβαιότητας της ομοιομορφίας της δέσμης και του πάχους του diffuser

14. COLLIMATORS AND DIFFUSER • Collimators:σχήμα δαχτυλιδιού, διάμετρο 3 έως 8 mm 1.) beam define collimator 2.) antiscattering collimator -Kαλύτερη εστίαση της δέσμης για ευαίσθητα δείγματαnuclear microprobe systemεστιάζει τη δέσμη με μια σειρά από μαγνητικά τετράπολα

15. COLLIMATORS AND DIFFUSER

16. COLLIMATORS AND DIFFUSER

17. ΦΟΡΤΙΟ • Βασική παράμετρος • Αβεβαιότητα στην ακριβή μέτρησή του • Δύο τρόποι υπολογισμού: - A.) Άμεσος τρόπος υπολογισμούσύνδεση τη βάση που είναι το δείγμα(sample holder) και το Faraday cup με έναν ολοκληρωτή φορτίου Χαρακτηριστικά άμεσης μεθόδου: • Αν το δείγμα είναι λεπτό τότε η δέσμη θα σταματήσει στο faraday cup.Aν είναι παχύ τότε ο c.i. Θα συλλέξει ολόκληρο το φορτίο από τη βάση του δείγματος. • Ηλεκτρόνια που φεύγουν από το δείγμα μπορούν να υπερεκτιμήσουν το συνολικό φορτίο. Αυτό διορθώνεται εφαρμόζοντας ένα θετικό δυναμικό στο faraday cup και στο δείγμα. • Β.)Έμμεσος τρόπος υπολογισμούRBS

18. EXIT FOIL • Για δείγματα τα οποία δεν μπορούν να βρίσκονται σε κενό(πχ υγρή μορφή),πρέπει να εισάγουμε αέρα στο θάλαμο στόχου. Ωστόσο, έτσι έχουμε μείωση της εμβέλειας των πρωτονίων και εξασθένηση των ακτίνων Χ. Γι’ αυτό, συνήθως χρησιμοποιούμε Ηe γιατί η απορρόφηση των ακτίνων Χ είναι 10 φορές μικρότερη και έχουμε μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα. • Για δείγματα που δεν μπορούν να βρίσκονται στο θάλαμο στόχου, η δέσμη πρέπει να περάσει στο αέριο μέσω ενός λεπτού φύλλου υλικού.(μικρή πιθανότητα για πυρηνικές αντιδράσεις)

19. EXIT FOIL

20. EXIT FOIL

21. SAMPLE CHANGERS AND TARGET HOLDERS • Με το πέρασμα των χρόνων η PIXE έγινε μια μέθοδος ρουτίναςπολλά δείγματα συνεχόμεναsample changer • Τarget holder: -Aγώγιμο υλικό - Σταθερή γεωμετρία(η επιφάνεια του δείγματος να είναι πάντα στο ίδιο επίπεδο) - Η κατασκευή του εξαρτάται από το δείγμα και είναι διαφορετικό για κάθε εργαστήριο - Προσοχή χρειάζεται όταν το μέγεθος της δέσμης προσεγγίζει το μέγεθος της επιφάνειας. Λάθη στον κατευθυντήρα οδηγούν σε διασκόρπιση της δέσμης και background προβλήματα

22. ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ

23. ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ • Παρατηρήσεις: • 1)Μεγάλο εύρος τιμών(ατομικές διαστάσεις),εξάρτηση από Z και ενέργεια ιόντων • 2)Μεγάλη σμικρό Ζ • 3)Μεγάλες τιμές σμικρό ρεύμα(<1nΑ)μικρή ζημιά στο δείγμα • 4)Αν Ι:beam energy(particles/sec),N:density of atoms in the sample, σ:X-ray cross section, τότε ο ρυθμός παραγωγής των ακτινών Χ είναι:R=IσΝdx • 5)Ndx=m/Nav/A,m:mass/unit area • 6)Aριθμός ακτινών Χ: • n=IσmNav/At ε

24. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ατμοσφαιρική ρύπανση -Δείγματααπό:γραμμή τραμ δίπλα στο εργαστήριο (sample 1,2), αυτοκινητόδρομο μεγάλης κυκλοφορίας (sample 3),μπροστά από το εργαστήριο (sample 4), εξοχή (sample 5) -3Mev protons(cyclotron) -Kyoto university(1979) -Η δειγματοληψία έγινε με απορροφητικό χαρτί. -Διάρκεια:2 ώρες για κάθε δείγμα

25. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

26. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

27. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ • Παρατηρήσεις: • 1)H συγκέντρωση του σιδήρου(Fe) στα δείγματα 1,2 είναι εντυπωσιακή και οφείλεται στις ράγες του τραμ. • 2) Η υψηλή συγκέντρωση των στοιχείων εκτός του Fe στο δείγμα 3 οφείλεται κυρίως στην κίνηση και στα πολλά αυτοκίνητα.

28. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

34. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ • ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΡΟΔΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ, Η ΜΕΘΟΔΟΣ PIXE ΕΧΕΙ ΠΟΛΛΑ ΠΕΡΙΘΩΡΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΕ ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΑΙ ΜΟΝΟ Η ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΦΑΝΤΑΣΙΑ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΕΙ ΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΟΥ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΕΧΕΙ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ…

35. BIBΛIOΓΡΑΦΙΑ • http://www.mrsec.harvard.edu/cams/PIXE.html • http://www.jinaweb.org/outreach/PIXE-PAN08/students/PIXEc02.pdf • http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1190_prn.pdf • http://www.elementalanalysis.com/services/proton-induced-x-ray-emission-pixe/ • Eισαγωγή στην πυρηνική φυσική(Cottingham-Greenwood) • Εργαστηριακές ασκήσεις ατομικής και μοριακής φυσικής(Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.)