Utilizzo degli acceleratori

1. Utilizzo degli acceleratori • Gli acceleratori di particelle sono impiegati anche in campi completamente diversi da quelli della ricerca di base, come peraltro avevamo già anticipato nelle lezioni precedenti. • Le principali applicazioni sono di seguito elencate: • - Analisi chimiche con metodi nucleari • - Datazioni in archeologia • - Sterilizzazioni con acceleratori • - Produzione di isotopi radioattivi • - Produzione di neutroni • Radiografie  • - Radiografie industriali Radiografie con p • Radiografie con n • - Radiation Damage • - Irraggiamento materiali • - Impiantatori ionici FERDOS Dr. Adolfo Esposito

2. ANALISI CHIMICHE CON METODI NUCLEARI Analisi di attivazione con particelle cariche CPAA-Charged Particle Activation Analysis Rivelazione a mezzo di collisioni elastiche di particelle cariche RBS- Rutherford Backscattering Spectrometry ERDA-Elastic Recoil Detection Analysis -Emissione di raggi x indotti di particelle PIXE-Particle induced Xray emission FERDOS Dr. Adolfo Esposito

3. CPAA L’analisi di attivazione a mezzo di particelle cariche è un metodo analitico per determinare la concentrazione elementale di elementi in tracce in un campione. Il metodo è basato sulle reazioni nucleari che portano a radionuclidi. L’identificazione della radiazione emessa (energia, T1/2) dà informazioni qualitative mentre la misura dell’ammontare delle particelle emesse (attività) dà informazioni quantitative. La CPAA è una analisi con un eccellente limite di rivelazione. accuratezza e precisione. I principali vantaggi del sistema sono: i campioni non devono essere sciolti prima dell’irradiazione; la contaminazione può essere rimossa cosi’ da contare il solo campione; il metodo non è soggetto all’errore che si fa sulla misura del campione di fondo. Il metodo è ottimo per la rivelazione di elementi leggeri (boro, carbonio, azoto, ossigeno) in metalli e semiconduttori. A basse concentrazioni (g/g) è l’unico metodo che ne permette di determinare la concentrazione. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

4. Gli svantaggi sono legati ai costi e alla complessità del sistema. Il sistema è basato su una reazione nucleare del tipo A (a, b) B dove il nucleo stabile A colpito dalla particella a si trasforma nel radionuclide B emettendo una o più particelle (b). Parametri importanti sono ovviamente sia la minima energia richiesta per indurre la reazione o energia di soglia e la probabilità’ che la reazione avvenga. La probabilità’ è espressa sotto forma di sezione d’urto e viene misurata in barn (1 barn= 10-28 m2). La sezione d’urto per un certo tipo di processo dipende ovviamente dall’energia della particella carica. In una matrice irradiata con particelle cariche a certe energie i più probabili radionuclidi formati possono essere studiati utilizzando la tavola periodica degli elementi e la conoscenza dell’energia di soglia. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

5. Per esempio nell’attivazione con protoni le reazioni riportate nella figura possono applicarsi a tutti i nuclei stabili NUMERO PROTONI NUMERO NEUTRONI Ovviamente con protoni fra 10 e 20 MeV. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

6. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

7. L’ attività indotta è proporzionale al numero di nuclei della targhetta e il numero di particelle cariche. L’ attività indotta cresce con il tempo di irradiazione e decresce con i tempi di dimezzamento più lunghi del radionuclide. Dove f e’ il rateo di fluenza delle particelle sBR e’ la sezione d’urto di attivazione NB e’ il numero di atomi di tipo B presenti nella targhetta NR e’ il numero di atomi radioattivi presenti AR(t,Tc)= sBR f NB(1-e-lRt)e- lRtTc FERDOS Dr. Adolfo Esposito

8. Sebbene in linea di principio la concentrazione di un elemento sia possibile dedurla dalla formula prima indicata abitualmente viene usato un metodo relativo secodo cui uno standard dell’elemento che si vuole misurare nel campione e il campione da misurare vengono irradiati separatamente con un fascio della stessa energia. La concentrazione dell’elemento si puo’ facilmente ricavare dalla concentrazione nel campione dai rapporti fra le attivita’ dai rapporti fra le intensita’ dei fasci dal tempo di irraggiamento dai tempi di dimezzamento dalla correzione che tiene conto di come il fascio viene assorbito diveramente FERDOS Dr. Adolfo Esposito

9. Ricapitolando per effettuare analisi con il metodo CPAA le particelle cariche devono essere accelerate a energie più alte della soglia di attivazione, e questo per avere maggiore sezione d’urto e alta sensibilità, ma al di sotto della soglia per processi più complessi, e questo allo scopo di evitare problemi di interferenza. Energie fra alcuni MeV e 20-30 MeV dovrebbero essere raggiunte per i protoni e i deuteroni ed energie doppie per 3He e 4He. Il ciclotrone copre questo range di interesse. L’energia dovrebbe essere ben definita (un’accuratezza di 0.1 MeV è largamente sufficiente) e riproducibile (differenti irraggiamenti effettuati in differenti giorni devono essere paragonabili). L’intensità del fascio dovrebbe essere variabile fra 0.05 e 5A e costante durante la durata dell’irradiazione. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

10. SPETTROMETRIA BASATA SULLE COLLISIONI ELASTICHE DI PARTICELLE CARICHE La diffusione elastica all’indietro e il rinculo elastico sono basati sulle collisioni elastiche delle particelle cariche. La differenza fra i due sistemi è la seguente: la diffusione elastica all’indietro consiste nel sondare targhette di atomi più pesanti con ioni più leggeri, mentre nell’altro metodo sono usati proiettili più pesanti e particelle più leggere sono rinculate. La diffusione all’indietro permette la rivelazione di piccole quantità di elementi pesanti in campioni leggeri, mentre particelle leggere di rinculo sono rivelate in campioni di materiale più pesante con una buona sensibilità. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

11. La tecnica tradizionale viene effettuata con ioni 4H nella regione di energia della diffusione Coulombiana intorno a 2 MeV. Questa tecnica è usata in metallurgia, biologia, medicina e contaminazioni ambientali FERDOS Dr. Adolfo Esposito

12. EMISSIONE DI RAGGI X INDOTTI DA PARTICELLE (PIXE) L’emissione di raggi x indotta da particelle è diventata ormai di uso comune nel campo dell’analisi elementale. Svuotamenti dei livelli energetici interni sono normalmente prodotti da protoni e/o  con energie dell’ordine del MeV. I principali vantaggi che la PIXE sono: - possibilità di misurare tutti gli elementi dal B all’ U - alta sensibilità (limite di rivelazione 1pg) - limite relativo di rivelazione 0,1 mg/kg - possibilità di analizzare piccole quantità 1 mg o meno - velocità di analisi - tecnica non distruttiva - preparazione dei campioni semplice. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

13. Per questo tipo di applicazioni vengono usati acceleratori ellettrostatici a stadio singolo o a tandem come indicato in figura. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

14. In linea di principio qualsiasi campione secco può essere messo nella camera da vuoto ed essere analizzato cosi’ com’è. È anche possibile estrarre il fascio ed usarlo per campioni posti all’esterno. Questo modo permette di analizzare campioni che prendono molto spazio. La tecnica è senz’altro utile quando si vogliono analizzare campioni delicati, vecchi libri, pitture, stampe, papiri etc. Il metodo PIXE standard prevede fasci le cui dimensioni sono dell’ordine dei 10 mm di diametro. Esiste anche la possibilita’ di avere fasci di 0.5m. Il range del fascio incidente su una targhetta dipende dalla sua carica e dalla velocità. Per protoni di alcuni MeV il range è alcune decine di m. L’analisi PIXE è insensibile allo stato di ossidazione della superficie. Sebbene la tecnica sia una tecnica orientata allo studio delle superfici la sonda ionica penetra sufficientemente all’interno. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

15. Range in aria e perdita di energia per differenti specie ioniche in funzione dell’energia. Vale la pena notare che I valori del rilascio di energia in aria ein basso vuoto sono le stesse FERDOS Dr. Adolfo Esposito

16. Durante il rallentamento nel campione il fascio induce diversi processi fisici. Fra questi quello che ha la sezione d’urto maggiore è quello che provoca l’espulsione di un elettrone dei livelli interni. L’atomo cosi’ eccitato è instabile. In seguito al riassestamento degli elettroni nei livelli elettronici si ritorna allo stato di minima energia potenziale. L’energia rilasciata riappare sotto forma di raggi x. Questi ultimi sono ovviamente funzione del numero atomico delle targhette. Linee di emissione di K e K sono emesse se è stata provocata l’espulsione di un elettrone K, cosi’ si hanno le linee L se l’elettrone espulso è stato un elettrone L. Rappresentazione schematica di un esperimeto PIXE per un campione di dimensioni finite FERDOS Dr. Adolfo Esposito

17. Per avere un’idea delle energie emesse si può far uso delle seguenti formule approssimate: E(Ka )=z2/100 (KeV) E(Lb )=z2/750 (KeV) E(Mg )=z2/3000 (KeV) Le righe K sono quelle relative a transizioni che finiscono nel livello K Le rigne L sono quelle che finiscono nel livello L FERDOS Dr. Adolfo Esposito

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21. La strumentazione usata per il metodo PIXE consiste in un piccolo acceleratore da qualche MeV, una camera da vuoto con un sistema per il cambiamento dei campioni. Un rivelatore per raggi x completa il sistema. Il fascio di protoni prodotto per esempio da un Van De Graaf penetra nella camera di misura attraverso una coppia di collimatori e colpisce la targhetta campione posta a 135 gradi rispetto alla direzione del fascio.Il fascio di raggi x prodotto attraversa una finestra di berillio e viene rivelato da un rivelatore al Si. I protoni diffusi all’indietro vengono rivelati da un rivelatore che permette anche di fare una spettrometria dei protoni. Gli altri protoni vengono raccolti dalla tazza di Faraday. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

22. Un tipico spettro in questo caso un campione di acqua opportunamente trattato FERDOS Dr. Adolfo Esposito

23. Curva di efficienza di un Si(Li) con finestra di belillio da 8 micron di spessore FERDOS Dr. Adolfo Esposito

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25. AMS • (Accelerator Mass Spectroscopy) • Datazioni Archeologiche FERDOS Dr. Adolfo Esposito

26. La datazione con radiocarbonio 14C è in grado di provvedere a dare una scala assoluta di tempo per la storia dell’uomo sugli ultimi 50000 anni. La tecnica AMS con la sua capacita’ di misurare il 14C in campioni al di sotto del mg ha espanso notevolmente l’ applicabilità di questo sistema di datazione. In tal modo composti molecolari estratti da ossa antiche, semi e materiali contenenti Carbonio possono essere datati con sempre maggiore sensibilità e attendibilità. Grazie anche alla invasività molto limitata anche rari manufatti sono stati datati. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

27. Uno dei principali obbiettivi dell’archeologia è quello di dare un ordine cronologico agli eventi passati sulla base di studi dei materiali e delle vestigia passate. È attualmente disponibile un insieme di tecniche di datazione che se usate nel modo corretto danno risultati con alto grado di precisione. È appena il caso di citare: - gli anelli degli alberi - le stratigrafie - i ratei di sedimentazione - i cambiamenti di stile - i cambiamenti di tecniche costruttive FERDOS Dr. Adolfo Esposito

28. Infine ma non ultime sono le tecniche legata alla radioattività naturale: Decadimento di radionuclidi (è il caso del C-14) Produzione in situ di radionuclidi cosmogenici a vita medio lunga quali il Be-10 ( T1/2=1.6*106 anni), Al-26 ( T1/2=7.2*105 anni), Cl-36 ( T1/2=3.01*105 anni), che possono essere usati per la datazione di superfici di rocce e/o manufatti di pietra Effetti di accumulo esponenziale di figli radioattivi da nuclidi primordiali, nelle serie K-Ar, U Effetti di accumulo lineare degli effetti dell’esposizione nella termoluminescenza nella luminescenza stimolata otticamente e nella datazione con tracce di fissione FERDOS Dr. Adolfo Esposito

29. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

30. Negli anni 40 per la prima volta fu usata la tecnica del radiocarbonio nella datazione archeologica alla fine degli anni 70 dello scorso secolo è stata utilizzata per lo stesso scopo la AMS. Andiamo ad esaminare il principio di funzionamento della datazione con radiocarbonio. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

31. Il C-14 è generato in atmosfera dalle reazioni nucleari che i neutroni di origine cosmica fanno sull’azoto atmosferico e che si distribuisce poi in atmosfera sotto forma di 14CO2. N-14+n va in C-14+p Nei tempi preindustriali il rapporto 14C/12C era circa 1.2x10-12. Per capire ma il modello non è cosi’ lineare si può ipotizzare che gli organismi viventi entrano a far parte del ciclo del carbonio attraverso processi metabolici che sono caratterizzati da concentrazioni di radiocarbonio. Quando l’organismo vivente muore, lo scambio del carbonio si ferma. Pertanto misurando la quantità residua di C-14 in campioni organici, sempre che non siano stati contaminati da campioni più giovani (attraverso acidi organici del suolo, attraverso azioni batteriche) ovvero più antichi, è possibile calcolare il tempo trascorso dal momento della morte dell’organismo vivente. La datazione con il radiocarbonio permette determinazioni fino a 50000 anni A.C. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

32. Il C-14 ha un T1/2 = 5730 anni e pertanto è ideale per gli studi nella scala temporale della civilizzazione umana. Ha in più come già detto la caratteristica che il tempo zero ( il rapporto iniziale in un organismo vivente ) è praticamente uniforme nello spazio e nel tempo. In linea teorica si potrebbero utilizzare anche altri radioisotopi naturali a vita media lunga quali il Ca-14 (T1/2 =1.03 x 105 anni) che permetterebbero la possibilità di datare bene fino a 106 anni. Ma purtroppo il rapporto Ca-41/Ca-40 è molto variabile. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

33. Il rapporto costante fra il C-14 e il C-12 che si riscontra in atmosfera e’ dovuto al fatto che la produzione e il decadimanto sono in equilibrio. Questo rapporto si ritrova costante nell’anidride carbonica. E poiche’ l’anidride carbonica e’ parte fondamentale della fotosintesi nelle piante il carbonio presente e’ nel rapporto di partenza. Tale rapporto si trasporta cosi’ come e’ a tutti gli esseri viventi. Il decadimento del C-14 segue la legge del decadimento esponenziale N(t)=N(0) e-t/t Determinando N(t) con la misura sperimentale del C-14 Determinando N(0) con la misura sperimentale su un campione “morto fresco” (la composizione isotopica in carbonio e’ comune a tutti gli organismi viventi nel momento in cui cessano di vivere) Si riesce a ricavare il tempo intercorso fra la morte dell’organismo e la data della misura. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

34. Il metodo di misura AMS è una tecnica analitica utilizzata in tutti quei casi in cui non è possibile la rivelazione del radionuclide a mezzo dei prodotti di decadimento ovvero a mezzo di spettrometria di massa convenzionale. Il suo vantaggio sta nel fatto che le ambiguità nella identificazione degli ioni sono praticamente del tutto limitate, permettendo l’analisi di rapporti isotopici dell’ordine di 10-15 che è un fattore 105 più piccolo di quello della maggior parte degli spettrometri di massa. Poiché vengono contati gli atomi e non la radiazione dovuta al loro decadimento, la sensibilita’ del metodo AMS non è affetta da errori dovuti ai tempi di dimezzamento e può raggiungere un limite di rivelazione di 106 atomi. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

35. Confrontato con la tecnica nucleare il sistema ha una efficacia 105-109 volte più alta, le dimensioni del campione 103-106 volte più piccola e le misure possono essere fatte in tempi 100÷1000 volte più rapidi. Campioni dell’ordine di 20g di Carbonio sono analizzate in 30 minuti. Per evidenziare la differenza con il sistema nucleare si consideri 1 g di Carbonio moderno, esso contiene 6x106 atomi di C-14, che può essere misurato con il sistema convenzionale nucleare con una precisione dell’1% (~104 decadimenti rivelati) in 1000 minuti. Con una sorgente ionica ad alta intensita’ è possibile con la tecnica AMS misurare lo stesso numero di 104 atomi di C-14 in solo 1 minuto, consumando solo 100 g di materiale. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

36. Per effettuare analisi isotopiche ultra sensibili è necessario per prima cosa fare una oculata scelta dell’acceleratore per ioni da usare. L’optimum per una svariata serie di applicazioni è il Van de Graff a tandem. I tandem che lavorano a tensioni fra 0.5 e 3 MV sono quelle ottimali per il C-14. Tandem a più alta energia possono essere usati per i radionuclidi rari. Gli altri acceleratori quali i ciclotroni non sono adatti a questo tipo di misure. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

37. Ioni di carbonio negativi sono prodotti da una sorgente ionica e dopo essere passati attraverso un magnete spettrometro sono iniettati in tandem. Nel caso del C-14, le interferenze isobariche sono del tutto limitate perché l’14N non forma ioni negativi stabili. Misure di alta precisione sono condotte a mezzo di iniezioni simultanee o in sequenza rapida degli isotopi 12C, 13C e 14C. Gli ioni negativi sono attratti dal terminale positivo ed accelerati fra 0.5 e 15 MeV, successivamente passano attraverso un gas o una sotile foglia di Carbonio subendo uno “stripping”e diventando positivi. Detti ioni sono di nuovo accelerati in direzione del successivo terminale negativo. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

38. Dopo lo stadio di accelerazione un magnete analizzatore seleziona il massimo probabile stato di carica ( tipicamente 3+ o 4+ ). Il magnete suddetto serve ovviamente anche a pulire il fascio di ioni del fondo. L’identificazione degli ioni di C-14 viene effettuata con un rivelatore di ioni. Il rapporto isotopico 14C /12C ( or 14C/13C) è derivato dai conteggi del C-14 nel rivelatore e le correnti del 12C e 13C misurate nella tazza di Faraday. Una metodologia simile è usata per analizzare radionuclidi rari cosmogenici il Be-10, Al-26. I campioni organici da analizzare devono essere purificati e trasformati in una targhetta di grafite per sorgenti ionica. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

39. La maggior parte dei campioni deve essere trattata per rimuovere il carbonio estraneo o per estrarre solo la frazione contenente solo il carbonio originale. Attraverso processi di combustione o di idrolisi dei campioni purificati è ottenuto il CO2. Successivamente a mezzo di processi catalitici il CO2 è trasformato in una targhetta di grafite. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

40. Campioni dell’ordine dei 20 microgrammi di Carbonio possono essere analizzati senza problemi anche se la contaminazione dovuta in situ e la contaminazione dovuta al processi chimici di preparazione ne limitano l’accuratezza e l’intervallo di datazione. I processi di ossidazione e grafitizzazione sono responsabili infatti per un fondo equivalente a 1 microgrammo di Carbonio moderno (6*104 atomi di C-14). La precisione di questo sistema di datazione e’ dominata dall’errore statistico. Una massa minima di 20 microgrammi di carbonio e’ necessario per effettuare datazioni recenti(<5000AC) con un errore dell1% (circa 80 anni). Con piu’ campioni dello stesso materiale si arriva a precisioni dell’ordine dei 20 anni. La contaminazione del campione in fase di trattamento chimico limita in ultima analisi l’eta’ massima databile. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

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42. Gli acceleratori furono sviluppati come strumenti per la ricerca di base, partendo dagli albori della fisica nucleare per arrivare alla fisica delle particelle elementari. • Lo sviluppo degli acceleratori ha permesso il conseguente sviluppo di tutte quelle discipline tecniche necessarie quali la criogenia, il vuoto, la progettazione meccanica, l’elettronica, l’automazione etc. • Il campo degli acceleratori è diventato una disciplina a se stante a partire dagli anni trenta come è bene indicato nella figura FERDOS Dr. Adolfo Esposito

43. Dall’albero centrale che rappresenta la ricerca fondamentale si sono staccate nel corso degli anni diverse branche il cui scopo era quello di sviluppare acceleratori per applicazioni specifiche. È evidente che la tendenza a risolvere problemi tecnici e industriali partiva sempre dai laboratori di fisica dove intenzionalmente o per fortuna venivano scoperti o testati procedimenti che successivamente portavano ad importanti applicazioni tecniche. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

44. Una branca fondamentale per lo sviluppo tecnologico è quella della scienza dei materiali. L’irraggiamento di materiali con particelle leggere o pesanti cosi’ come con radiazioni elettromagnetiche provoca cambiamenti di legami chimici e/o la composizione del materiale stesso. Queste modifiche si accompagnano a nuovi processi industriali o addirittura alla creazione di nuove branche industriali. Allo stato attuale uno dei più importanti campi di applicazione dell’irraggiamento dei materiali con gli elettroni è quello dei polimeri. Una frazione consistente di radicali liberi neutri o carichi sono prodotti con l’interazione con gli elettroni. I radicali formati come è noto sono fortemente reattivi e reagiscono con altri polimeri, monomeri e altri additivi. Dalla ricerca di base nella chimica delle radiazioni si è sviluppata una nuova branca di procedimenti chimici industriali. Vengono di solito utilizzati in queste applicazioni elettroni da 300 keV. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

45. Nella figura è possibile vedere il tempo necessario per l’assorbimento della radiazione determinando l’ opportunità economica, di una sorgente o di un’altra. FERDOS Dr. Adolfo Esposito

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47. L’incorporazione di atomi in matrici di materiali ha aperto un grandissimo campo di ricerca nell’ambito delle modifiche dei materiali. Gli obbiettivi degli irraggiamenti con ioni si possono raggruppare nei filoni di seguito elencati: - Drogaggio, impiantazioni ioniche con specie ioniche in concentrazioni moderate; - produzione di strati o segregazione di impurità in metalli o di leghe in vari materiali; - Miscelamento ionico di sottili strati o interfacce con definite deposizioni di energia; - Produzione di danneggiamento da radiazioni controllato quali amorfizzazione, ricristallizzazione con l’aiuto di fasci ionici e deposizione di metalli per spruzzamento su superfici. È appena il caso di ricordare che i transistors sono stati costruiti utilizzando tali tecniche FERDOS Dr. Adolfo Esposito

48. Generatori di neutroni Il metodo usato per la produzione di neutroni e’ quello di far urtare un fascio di ioni su una targhetta Vengono in genere usate le seguenti reazioni 7Li(p,n)7Be 3H(2H,n)4He 2H(2H,n)3He FERDOS Dr. Adolfo Esposito

49. La sorgente di ioni consiste in un Van de Graaff e/o in un ciclotrone FERDOS Dr. Adolfo Esposito

50. Una applicazione estemporanea dei neutroni veloci prodotti da un acceleratore per esempio con una reazione d,t che produce un fascio di neutroni da 14 MeV che viene utilizzato per la ricerca di esplosivi in bagagli. Si sfrutta il fatto che: N (14MeV)+16O 16O* + n (7,9 MeV) 16O +  (6,13)MeV N (14MeV)+14N 14N* + n (8,9 MeV) 14N +  (5,1MeV) FERDOS Dr. Adolfo Esposito