la tecnica PIXEe le analisi dei materiali per i
Beni Culturalial LABEC
Lorenzo Giuntini – Mirko Massi
Dipartimento di Fisica dell’Universitàe Sezione INFN, Firenze
Incontri di Fisica, Firenze 23 marzo 2009
Ion Beam Analysis (IBA)Ion Beam Analysis (IBA)
campionecampionefascio di particellefascio di particelle
rivelatorerivelatore
radiazione caratteristicaradiazione caratteristica
Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t e
g g
i
Na
Al
Si
S
K
Ca
spettro di energiaspettro di energia segnalesegnale
acceleratoreacceleratore
Differenti tecniche di Differenti tecniche di Ion Beam AnalysisIon Beam Analysis
•Particle-Induced X ray Emission Particle-Induced X ray Emission (PIXE)(PIXE)
•Backscattering SpectrometryBackscattering Spectrometry (BS)(BS)
Rutherford Rutherford (RBS)(RBS) o non Rutherford o non Rutherford
•Particle-Induced Gamma ray EmissionParticle-Induced Gamma ray Emission (PIGE)(PIGE)
•Nuclear Reaction AnalysisNuclear Reaction Analysis (NRA)(NRA)
risonante o norisonante o no
Ion Beam AnalysisIon Beam Analysis• veloce, quantitativa, multi-elementaleveloce, quantitativa, multi-elementale
stechiometriastechiometria
• grandi sezioni d’urto grandi sezioni d’urto basse correnti di basse correnti di fascio fascio
(pA o decine di pA) (pA o decine di pA) ↔↔ non distruttiva non distruttiva
• analisi di superficie (15-20 analisi di superficie (15-20 m tipicamente)m tipicamente)
• profili di concentrazioneprofili di concentrazione
• micro-analisimicro-analisi
• fasci esterni fasci esterni
Principio dell’analisi PIXEPrincipio dell’analisi PIXE
•le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomicacaratteristiche di ciascuna specie atomica
•dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica
da cui sono emessida cui sono emessi
la rivelazione e classificazione delle energie X la rivelazione e classificazione delle energie X permette di identificare e quantificare i differenti permette di identificare e quantificare i differenti
elementi presenti nel campione-bersaglio del fascioelementi presenti nel campione-bersaglio del fascio
Transizioni atomiche Transizioni atomiche
Energie dei raggi X caratteristiciEnergie dei raggi X caratteristicienergie raggi X caratteristici
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10 20 30 40 50 60 70 80 90
numero atomico Z
en
erg
ia (
keV
)
riga K alfariga K betariga L alfariga L beta
Analisi quantitativaAnalisi quantitativaTARGET SOTTILI
Y0 (Z) = NP NZ t Z,E0 (Z Z /4)
Y0 (Z) = (Q / e)(NAv / A)( t Z ) Z,E0 (Z Z /4)
Y0 (Z) = Q (t Z) Z
Z = (1 / e)(NAv / A) Z,E0 (Z Z /4)
Misura di Np
il numero di raggi X NX-finestra, emessi
dalla finestra di uscita del fascio
(Si3N4), durante il bombardamento è proporzionale al:
• numero di proiettili fluito attraverso la finestra, ovvero al
• numero di proiettili che ha colpito il bersaglio, cioè Np
fascio
Rivelatoreraggi X
X ray silicio
Foglio di Upilex
Finestra Si3N4 (100 nm)
Z cr es ce nt e
sezioni d'urto di produzione X (serie K)
0,1
1
10
100
1000
10000
1 2 3 4 5
energia protoni (MeV)
sigm
a (b
arn)
Na
Ag
Zr
As
Fe
Ca
X (
barn
)sezioni d'urto di produzione X (serie L)
0,1
1
10
100
1000
10000
1 2 3 4 5
energia protoni (MeV)
sigm
a (b
arn) Pb
Ba
Ag
Zr
Ta
X (
barn
)
sezioni d'urto di produzione X da protoni
0,1
1
10
100
1000
10000
10 20 30 40 50 60 70 80 90
numero atomico Z
sig
ma
(b
arn
)
sigma K (1 MeV)
sigma L (3 MeV)
sigma K (3 MeV)
sigma K (4 MeV)
Efficienza intrinseca Efficienza intrinseca ZZ dei Si(Li) dei Si(Li)
Y0 (Z) = NP NZ t Z,E0 (Z Z
/4)
10
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20 25 30 35X ray energy (keV)
coun
ts/( g
/cm
2 )( C
)
K-series X rays
L-series X rays
Efficienze di Efficienze di rivelazione rivelazione in set-up a due in set-up a due rivelatori rivelatori
Z = (1 / e)(NAv / A) Z,E0 (Z Z /4)
Efficienze di rivelazione in Efficienze di rivelazione in set-up a due rivelatoriset-up a due rivelatori
Campioni non sottili Campioni non sottili
Analisi quantitativa (target spessi)Analisi quantitativa (target spessi)
T
0
E,ZZZZA dx)cos/xexp()4/()A/N()e/Q()Z(Y
F
0
E
E
E,ZZZZA )E(S/dE)cos/xexp(/)4/()A/N()e/Q()Z(Y
F
0
0
E
E
E,Z
E,Z0
)E(S/dE)cos/xexp(
T)Z(Y/)Z(Y)Z(F
)Z(FQ
)Z(YT
ZZ
PIXE per le analisi di materiali PIXE per le analisi di materiali nel campo dei beni culturalinel campo dei beni culturali
•multi-elementale, quantitativamulti-elementale, quantitativa
•bassissime correnti grazie alle altissime bassissime correnti grazie alle altissime
•fasci esterni fasci esterni
non distruttivanon distruttiva
•micro-analisimicro-analisi
FASCIO ESTERNOFASCIO ESTERNO
•facilità nel maneggiare e muovere il “bersaglio” facilità nel maneggiare e muovere il “bersaglio”
•analisi di oggetti di qualunque dimensioneanalisi di oggetti di qualunque dimensione
•prelievi non necessari prelievi non necessari
•riscaldamento trascurabileriscaldamento trascurabile
nessun danno termiconessun danno termico
nessun problema di disidratazionenessun problema di disidratazione
PIXEPIXE
VANTAGGIVANTAGGIanalisi molto rapide, sensibili, analisi molto rapide, sensibili, non distruttivenon distruttive
analisi analisi quantitativaquantitativa energia minima dei raggi X comunemente energia minima dei raggi X comunemente
rivelabili : rivelabili : 1 keV, dunque: 1 keV, dunque:tutti gli elementi a partire dal Na compreso tutti gli elementi a partire dal Na compreso
simultaneamente quantificabilisimultaneamente quantificabili
PIXEPIXELIMITAZIONILIMITAZIONI
•nessuna informazione sulle componenti organichenessuna informazione sulle componenti organiche
•nessuna informazione nessuna informazione direttadiretta sui legami chimici (come sui legami chimici (come in tutte le tecniche IBA)in tutte le tecniche IBA)
però…. però…. ipotesi ipotesi stechiometriche grazie alla stechiometriche grazie alla quantitatività e multielementalitàquantitatività e multielementalità
•nessuna informazione nessuna informazione immediataimmediata sulla stratigrafia e sulla stratigrafia e la distribuzione in profondità degli elementila distribuzione in profondità degli elementi
però…. però…. PIXE differenzialePIXE differenziale
Linea del Microfascio
beam
Rivelatore raggi X
raggio X del silicio
Finestra di Upilex che sigilla il foro di uscita
Fienstra Si3N4 (100 nm)
Nasino di uscita del fascio
finestre Si3N4 100 nm thick
- 0.5 x 0.5 mm2 wide- 1.0 x 1.0 mm2 wide
finestra montata su nasino di uscita del fascio
0.5 mm
Finestre di uscita
Rivelatori
PIGE
PIXE
PIXE
BS
Current
Beam
Mappe di concentrazione degli elementi• Sistema di acquisizione in list-mode
Durante la scansione dell’area selezionata, ogni volta che viene rivelato un “evento” (raggio X, raggio …) vengono acquisisti dal software:
–l’energia EZ della radiazione
–la posizione (x,y)
cioè si rivela la radiazioneemessa “punto per punto”
Dalle terne (x, y, EZ) si possono ricostruire le mappe di concentrazione, cioè si può vedere come sono distribuiti i vari elementi all’interno dell’area scansionata
x
y
x
y
• posizione (x, y) del fascio quando sono emessi i raggi Xposizione (x, y) del fascio quando sono emessi i raggi X
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min.
Max.
CuSi
• energia E del raggio X rivelatoenergia E del raggio X rivelatomicroPIXE a scansione:microPIXE a scansione:
50
0
m
250 m