1

Η τεχνική PIGEΠυρηνική Φασματοσκοπία

Τεχνικές Πειραματικής Φυσικής9ο εξ. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, Ε.Μ.Π. , Αθήνα.Τομέας Φυσικής

Τσιντάρη Πελαγία14.01.2016

2

Περιεχόμενα Ion Beam Analysis Η τεχνική PIGE

Βασικά Χαρακτηριστικά Προφίλ του Βάθους

Πειραματικός Εξοπλισμός Πρακτικές Εφαρμογές της τεχνικής Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

3

Εισαγωγικά

Τρία είδη ακτινοβολίας

•α – πυρήνες Ηλίου (Ηe)•β – ηλεκτρόνια/ποζιτρόνια•γ – φωτόνια υψηλής ενέργειας

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

4

Ion Beam Analysis (ΙΒΑ) Μία οικογένεια πειραματικών τεχνικών για την ανάλυση

της σύστασης των υλικών Βασίζεται στην εκπομπή χαρακτηριστικής ακτινοβολίας

που προέρχεται από επιταχυνόμενα σωματίδια (δέσμη), τα οποία βομβαρδίζουν το υλικό του δείγματος (στόχος)

Χρησιμοποιείται δέσμη ιόντων, πρωτονίων ή νετρονίων της τάξεως των MeV για τον προσδιορισμό της σύστασης και του στοιχειακού προφίλ του βάθους στο επιφανειακό στρώμα των δειγμάτων (depth profiling).

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

5

Ion Beam Analysis

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

6

Ion Beam Analysis

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

7

PIGE (Particle Induced G-ray Emission) Βασικά Χαρακτηριστικά Για στόχους με χαμηλό ατομικό

αριθμό (Ζ) οι απώσεις Coulomb είναι μικρότερες και έτσι μπορούμε να εκμεταλλευτούμε τις, μικρής εμβέλειας, πυρηνικές δυνάμεις που έρχονται στο προσκήνιο.

Σωματίδιο προσκρούει πάνω σε πυρήνα δημιουργώντας ένα σύνθετο διεγερμένο πυρήνα, ο οποίος αποδιεγείρεται με εκπομπή ακτίνας γ

Προϊόντα της αντίδρασης είναι οι ακτίνες γ, οι οποίες αποτελούν «αποτύπωση» του πυρήνα.

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

8

Χρησιμοποιείται όταν η χημική σύσταση του δείγματος είναι ποιοτικά γνωστή, για τον προσδιορισμό των ισοτόπων του.

Τα πυρηνικά ενεργειακά επίπεδα είναι χαρακτηριστικά για κάθε ισότοπο, επομένως και η ενέργεια της κάθε ακτίνας γ είναι χαρακτηριστική των διαφόρων ισοτόπων.

Έχει την δυνατότητα ποσοτικοποίησης των ισοτόπων του δείγματος.

PIGE (Particle Induced G-ray Emission)

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

9

Depth Profiling – Προφίλ του ΒάθουςΤα φωτόνια δεν μας παρέχουν άμεση πληροφορίαΗ κορυφή της ενέργειας της χαρακτηριστικής ακτίνας γ δεν μεταβάλλεται με το βάθος (δεν έχουμε απώλεια ενέργειας).

Καθώς η ενέργεια της εισερχόμενης δέσμης αυξάνεται ,το προσπίπτον ιόν περνά την ενέργεια συντονισμού σε μακρύτερο βάθος και έτσι μπορούμε να μετρήσουμε το προφίλ του βάθους (depth profiling).

PIGE (Particle Induced G-ray Emission)

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

10

Depth Profiling – Προφίλ του Βάθους

Για να γίνει το depth profiling θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν απότομοι και ισχυροί συντονισμοί οι οποίοι προκαλούν αύξηση της απόδοσης (yield) ενέργειας της ακτίνας γ και με αυτό τον τρόπο λειτουργούν σαν «δείκτες ενέργειας» μέσα στο δείγμα.Για να βρούμε που αντιστοιχούν αυτοί οι δείκτες ενέργειας μέσα στο στόχο θα πρέπει η ενέργεια της δέσμης να αυξάνεται σταδιακά. Κάθε επιλεγμένη τιμή ενέργειας της ιοντικής δέσμης αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο βάθος διείσδυσης του στόχου. Η απόδοση (yield) της ακτίνας γ μετριέται και αντικατοπτρίζει την συγκέντρωση και τον τύπο του ισοτόπου σε αυτό το βάθος.

PIGE (Particle Induced G-ray Emission)

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

11

Πειραματικός Εξοπλισμός Ηλεκτροστατικός επιταχυντής σωματιδίων (πηγή

υψηλής ενέργειας της δέσμης) Cockroft - Walton , van de Graaff type ή tandem

Vacuum chamber

Ανιχνευτές NaI, BGO (βισμουθίου-γερμανίου), Ge(Li), ή HPGe κατάλληλα για PIGE

Για επεξεργασία του σήματος χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικές μονάδες επεξεργασίας όπως: ΝΙΜ (Nuclear Instrument Module), CAMAC (Computer-Automated Measurement And Control)

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

12

Πηγή ιόντων Επιταχυντής υψηλής ενέργειας Στοιχεία Εστίασης Ανιχνευτής

Πειραματικός Εξοπλισμός

13

Πειραματική Διάταξη

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

14

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

15

Τέχνη και πολιτιστική κληρονομιά

Αρχαιολογία και Χρονολόγηση

Βιολογία και Εγκληματολογία

Περιβάλλον

Έλεγχος τεχνολογικών υλικών

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

16

Ion Beam AnalysisPIXE & PIGE

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

17Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

Εφαρμογές της Τεχνικής

18Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

Εφαρμογές της Τεχνικής

19

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

20

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

21

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

22

Εφαρμογές της Τεχνικής

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

23

Προσδιορισμός φθορίου σε ανθρώπινα υγιή και τερηδονισμένα δόντια χρησιμοποιώντας την τεχνική PIGE.

Τα υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης του φθορίου στο σμάλτο των δοντιών συμβάλλουν στην πρόληψη της τερηδόνας.

Μελετήθηκαν τα δόντια των πληθυσμών σε δύο απομονωμένα νησιά στις Αζόρες στην Πορτογαλία(S. Miguel – χαμηλή συγκέντρωση φθορίου, Terceira – υψηλή συγκέντρωση φθορίου) .

Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος PIGE εκμεταλλευόμενη την πυρηνική αντίδραση 19F(p,γ)16Ο .

Οι μετρήσεις για τον προσδιορισμό του προφίλ του βάθους υποδεικνύουν απότομες κορυφές στην επιφάνεια του σμάλτου και λιγότερο οξείες στην περιοχή της οδοντίνης

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

Εφαρμογές της Τεχνικής

24

Φάσμα ακτίνων γ αφού έχουμε βομβαρδίσει ένα δόντι με δέσμη πρωτονίων ενέργειας 2,4MeV.

Εφαρμογές της Τεχνικής

Η μελέτη έδειξε πως η αύξηση της συγκέντρωσης του φθορίου στο πόσιμο νερό που πίνουμε δεν συντελεί στην αύξηση της συγκέντρωση φθορίου στην οδοντική περιοχή.

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

25

Εφαρμογές της ΤεχνικήςΑξιοποιώντας την επίδραση των πυρηνικών εκρήξεωνστην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

26Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

Εφαρμογές της ΤεχνικήςΟι πυρήνες που βρίσκονται στους πολικούς πάγους βοηθούν στην «επέκταση» των αρχείων σχετικά με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες του παρελθόντος.

Το χιόνι περιέχει ίχνη αερίων και αερολυμάτων τα οποία έχουν εναποτεθεί και συμπιεστεί στο πάγο μέσω της ατμόσφαιρας.

27

ΣυμπεράσματαΗ τεχνική PIGE : μετρά την χωρητικότητα και την κατανομή του

βάθους από την επιφάνεια έως κάποια μικρόμετρα.

δεν παρέχει πληροφορίες για την χημική σύσταση, αλλά μόνο για τα ισότοπα του δείγματος.

είναι η ακριβέστερη από τις τεχνικές IBA για τον προσδιορισμό του προφίλ του βάθους.

είναι ελάχιστα καταστροφική . σε υψηλή και συνεχή ένταση βομβαρδισμού, έχουμε φθορές.

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ

28

Βιβλιογραφία Ion Beam Material Analysis. Fundamentals and Applications. Michael Nastasi,

James W. Mayer, Yongqiang Wang

Nuclear ‘reaction Analysis (NRA) and Particle Induced g-ray emission(PIGE) M.Kokkoris Department of Physics, National Technical University of Athens

Fundamentals of the Particle Induced Gamma-ray Emission (PIGE) technique, experimental procedures and examples of PIGE analysis. Massimo Chiari / I.N.F.N. Florence. http://labec.fi.infn.it/

http://www.infn.it/index.php?lang=en

Nuclear Physics techniques and methods for Cultural Heritage. P.A. Mandò, http://www.enea.it/en/home-luglio-2015?set_language=en&cl=en

Fluorine determination in human healthy and carious teeth using the PIGE method M.Lcarvalho, A.Gkarydas, C.Casac, Ch Zaakada, , T. Paradellis, G. Kordas, G.Moraitou

29

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!

ΤΕΛΟΣ!

Τσιντάρη Πελαγία, ΣΕΜΦΕ