ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ PIXE

(Particle Induced X-ray Emission)

ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΤΖΩΡΤΖΗΣ

κ.ΡΟΖΑ ΒΛΑΣΤΟΥ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1)ΦΥΣΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ

2)ΜΕΡΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ

3)ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

ΑΚΤΙΝΕΣ ΧΧρήση του απλοποιημένου μοντέλου των σφαιρικών

φλοιώνΔιέγερση 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.

ΑΚΤΙΝΕΣ Χ

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

EIΣΑΓΩΓΗ

Όλο το εύρος των αναλυτικών μεθόδων με δέσμες ιόντων βασίζονται στην ίδια αρχή: αρχικά, μια δέσμη ιόντων ΜeV ενέργειας 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

PIXE

-Johansson(1970,Lund university, Σουηδία)-Si(Li) ανιχνεύει χαρακτηριστικές ακτίνες Χ από δείγμα που

ακτινοβολείται από ΜeV p+ ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ1)Πολλαπλές ανελαστικές σκεδάσεις των ιόντων και των

ατόμων του δείγματος2)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)

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 ιόνταεκτρέπονται με τη βοήθεια μαγνήτη και επιτάχυνση σε 1ο στάδιοέλξη από θετικό δυναμικό(V eVolts)στην περιοχή του τερματικού ηλεκτροδίου διασχίζουν ένα λεπτό υλικό σε αέρια μορφή και αποβάλλουν n ηλεκτρόνιαθετικά ιόντα με φορτίο neεπιτάχυνση σε 2ο στάδιο με ενέργεια nV eVolts

- Εολ=(1+n)V eVolts +Eαρχ

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=QcK με c:σταθ.,Κ:calibration constant(ανεξάρτητο από γεωμετρία και σχήμα)

Κ=ε ∫σi(E(x))e(-μx/cosθ)dx

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).

VACUUM SYSTEMS

Η δέσμη σωματιδίων μεταφέρεται στο θάλαμο στόχου μέσω σωλήνα υψηλού κενού

Κενό 10-3-10-4 Pa πίεσης αρκετά ικανοποιητικόΑμελητέα απώλεια ενέργειας(1eV/1m)

COLLIMATORS AND DIFFUSERΗ ενεργός διατομή της δέσμης θεωρητικά ακολουθεί

γκαουσιανή κατανομήΟμοιομορφία της δέσμηςdiffuser and collimatorsDiffuser: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

COLLIMATORS AND DIFFUSER

Collimators:σχήμα δαχτυλιδιού, διάμετρο 3 έως 8 mm1.) beam define collimator2.) antiscattering collimator-Kαλύτερη εστίαση της δέσμης για ευαίσθητα

δείγματαnuclear microprobe systemεστιάζει τη δέσμη με μια σειρά από μαγνητικά τετράπολα

COLLIMATORS AND DIFFUSER

COLLIMATORS AND DIFFUSER

ΦΟΡΤΙΟ

Βασική παράμετρος Αβεβαιότητα στην ακριβή μέτρησή του Δύο τρόποι υπολογισμού:- A.) Άμεσος τρόπος υπολογισμούσύνδεση 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 υπολογισμούRBS

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)

EXIT FOIL

EXIT FOIL

SAMPLE CHANGERS AND TARGET HOLDERS

Με το πέρασμα των χρόνων η PIXE έγινε μια μέθοδος ρουτίναςπολλά δείγματα συνεχόμεναsample 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

ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ

ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ

Παρατηρήσεις:1)Μεγάλο εύρος τιμών(ατομικές διαστάσεις),εξάρτηση

από Z και ενέργεια ιόντων2)Μεγάλη σμικρό Ζ3)Μεγάλες τιμές σμικρό ρεύμα(<1nΑ)μικρή ζημιά

στο δείγμα4)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 area6)Aριθμός ακτινών Χ:n=IσmNav/A t ε

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Ατμοσφαιρική ρύπανση-Δείγματα από:γραμμή τραμ δίπλα στο εργαστήριο

(sample 1,2), αυτοκινητόδρομο μεγάλης κυκλοφορίας (sample 3),μπροστά από το εργαστήριο (sample 4), εξοχή (sample 5)

-3 Mev protons(cyclotron)

-Kyoto university(1979)

-Η δειγματοληψία έγινε με απορροφητικό χαρτί.

-Διάρκεια:2 ώρες για κάθε δείγμα

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

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.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

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…

BIBΛIOΓΡΑΦΙΑ

http://www.mrsec.harvard.edu/cams/PIXE.htmlhttp://www.jinaweb.org/outreach/PIXE-PAN08/stud

ents/PIXEc02.pdfhttp://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/t

e_1190_prn.pdfhttp://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.)