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Dispositivi a raggi X
Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione
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TUBO A RAGGI X
v
FILAMENTO
CATODO
TUBO SOTTOVUOTOAPERTURA
BERSAGLIO DI TUNGSTENO
CIRCUITO DEL
FILAMENTOCUFFIA
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ELETTRODI DEL TUBO RX
Elettrodo negativo (catodo)
Elettrodo positivo (anodo)
AMPOLLA
SOTTO VUOTO
• Il tubo è costituito da una ampolla di vetro tenuta sottovuoto
• Il catodo è costituito da un filamento di tungsteno del tutto simile a quelli di una lampadina ad incandescenza
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IL FILAMENTO
6 V
Q = i x V x t
Q = calore prodotto
i = corrente
V = tensione
t = tempo
• Collegando il filamento del catodo ai capi di un alimentatore a bassa tensione (3 ÷ 6 volt), si ottiene un riscaldamento del filamento per effetto termico della corrente (effetto joule)
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IL FILAMENTO
• Il calore prodotto per effetto joule fa aumentare la temperaturadel filamento
• Il filamento si scalda tanto da diventare incandescente (500 ÷800 °C)
• Il filamento resiste alle alte temperature perché il tungsteno ha una temperatura di fusione molto elevata.
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ENERGIA DI AGITAZIONE TERMICA
TEMPERATURA AGITAZIONE TERMICA
E = 32
x k x T
E = Energia cinetica di una particella
k = COSTANTE DI BOLTZMAN
T = temperatura assoluta
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EFFETTO TERMOIONICO
• L’energia cinetica degli elettroni aumenta con la temperatura;
• Se l’energia cinetica dovuta all’agitazione termica è elevata, puó strappare gli elettroni dagli atomi del filamento;
• Questo effetto è chiamato: effetto termoionico.
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EFFETTO TERMOIONICO
È un processo di estrazione degli elettroni a causa della agitazione termica. Si traduce in tre fasi:
1. Il filamento emette elettroni
2. Il filamento assume una carica positiva
3. Gli elettroni emessi rimangono in prossimità del filamento a causa della attrazione tra cariche opposte
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Nuvola elettronica addensata sul
catodo
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ENERGIA DEGLI ELETTRONI
Collegando catodo e anodo rispettivamente ai poli e diun generatore di alta tensione, gli elettroni emessi dal catodo vengono attratti dall’anodo.
+
Quando gli elettroni arrivano all’anodo hanno una energia elevata:Ec = e x ∆V
+-Generatore di alta tensione
CATODO ANODO
Ec= energia cinetica ___degli elettroni;e = carica dell’elettrone ___1.6 x 10 -19 C∆V = differenza di ____potenziale tra catodo ____e anodo
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COME VIENE CONVERTITA QUESTA ENERGIA?
3 tipi di interazioni:
• 1 – interazione dell’elettrone proiettile con gli elettroni delle orbite esterne degli atomi dell’anodo (atomi bersaglio).
• 2 – passaggio ravvicinato dell’elettrone proiettile in prossimità di un nucleo dell’atomo bersaglio.
• 3- interazione dell’elettrone proiettile con un elettrone dell’atomo bersaglio nelle orbite piú interne (K, L…)
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CALORE• L’elettrone interagisce solo con gli
elettroni delle orbite più esterne;• Perde solo una piccola parte della
sua energia che si trasforma in calore;
• Questa è l’interazione più frequente (99% dei casi);
• L’anodo è costituito da materiale con un alto punto di fusione (es. Tungsteno o Molibdeno) quindi non fonde;
• L’anodo viene raffreddato per evitare il deterioramento;
+
NUCLEO
ELETTRONE
ATOMO Dott.Alessandra Bernardini – alessandra.bernardini@dsf.unica.itServizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari
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RADIAZIONE DI FRENAMENTO
• L’elettrone passa in prossimità del nucleo;
• Subisce una deviazione di traiettoria;• A seguito dela deviazione l’elettrone
perde parte della sua energia;• L’energia persa dall’e. Viene emessa
come un fotone X;• Questa radiazione è chiamata di
frenamento o bremsstrahlung
+
NUCLEO
ELETTRONE
ATOMO Dott.Alessandra Bernardini – alessandra.bernardini@dsf.unica.itServizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari
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RADIAZIONE DI FLUORESCENZA X
• L’elettrone incidente urta contro un elettrone delle orbite più interne;
• L’elettrone colpito viene espulsodall’atomo;
• Un elettrone di un orbita più alta va ad occupare il posto lasciato libero nell’orbita interna;
• Viene emesso un fotone X di energia pari all’energia persa dall’elettrone nella transizione;
+
NUCLEO
ELETTRONE
ATOMO Dott.Alessandra Bernardini – alessandra.bernardini@dsf.unica.itServizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari
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SPETTRO DEI RAGGI X
Spettro continuo dovuto alla radiazione emessa a seguito del passaggio degli elettroni nelle vicinanze del nucleo.
Spettro a righe dovuto alla radiazione emessa a seguito della espulsione degli elettronidelle orbite interne.INTENSITÀ
ENERGIADott.Alessandra Bernardini – alessandra.bernardini@dsf.unica.it
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INTERAZIONE DEI RAGGI X
• I raggi X non sono altro che fotoni, del tutto identici ai raggi γ;
• differiscono da questi solo per l’origine (i raggi γ hanno origine nel nucleo mentre i raggi X nascono a livello degli orbitali atomici);
• i raggi X interagiscono con la materia nello stesso identico modo della radiazione gamma;
+
x
x
Una volta emessi, i raggi X sono indistinguibili dai raggi γ anche se in genere hanno energie più basse.
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γ
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DISPOSITIVI A RAGGI X
• Esistono diverse apparecchiature che sfruttano le radiazioni ionizzanti per effettuare misure, analisi e controlli;
• Nel campo della ricerca quelli maggiormente utilizzate sono:
SPETTROMETRO a raggi X di fluorescenza (XRF) con tubo a raggi X o radioisotopi;
DIFFRATTOMETRO con tubo a raggi X;
MICROSCOPIO ELETTRONICO fascio di elettroni;
Detector per gascromatografia a cattura elettronica (ECD);
MISURATORE DI POLVERI IN ARIA con sorgenti radioattive
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SPETTROMETRO
• Cos’è? È un dispositivo che serve per effettuare l’esame dello spettro dei raggi X di fluorescenza emessi dai componenti dei materiali sottoposti ad analisi.
• Come funziona? L’emissione dei raggi X di fluorescenza è stimolata a sua volta da un fascio di raggi X generati da un tubo radiogeno o da una o più sorgenti radioattive.
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SPETTROMETRO SCHEMA A BLOCCHI
CAMPIONE
FASCIO DI RAGGI X
TUBO A RAGGI X
RIVELATORE AMPLIFICATORECONVERTITORE A/D
TENSIONE DI BIAS
PREAMPLIFICATORE
Cou
nt
E (keV)
RADIAZIONE DI
FLUORESCENZA
L'analisi dello spettro di fluorescenza X emessa, consente di determinare la presenza e la concentrazione di diversi elementi in un campione. Il metodo XRF è un metodo non distruttivo. Dott.Alessandra Bernardini – alessandra.bernardini@dsf.unica.it
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SPETTROMETRO PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
•La radiazione X provoca l'estrazione di un elettrone da una delle orbite più vicine al nucleo (orbite k, l, m ).
• Negli spettrometri XRF un sottile fascio di raggi X colpisce il punto da analizzare ed eccita, per effetto fotoelettrico, gli stati elettronici più profondi degli atomi presenti;
+
NUCLEO
ATOMO
ELETTRONE
FOTONE X
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SPETTROMETRO PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
• Gli atomi così eccitati saltano ad un livello energetico superiore ma si diseccitano immediatamente emettendo radiazione X monocromatica ("righe" X) di energia caratteristica dell' elemento coinvolto.
+
ATOMO
•PER ESEMPIO:•Gli atomi di Ferro sono caratterizzati da una riga a 6,4 keV (riga kα ) e da una riga a 7,1 keV (riga kβ ), gli atomi di Rame da una riga a 8,03 keV ed una a 8.94 kev; e così via.
FOTONE XDI ENERGIA
CARATTERISTICA
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SPETTROMETRO
Lo spettrometro da laboratorio con tubo radiogeno è costituito da una struttura metallica di grandi dimensioni, chiusa.
I raggi X sono confinati al suo interno e sono schermati dalle pareti e da vetri al piombo.
La struttura contiene anche il sistema di alta tensione, il tubo radiogeno e la camera di analisi.
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DIFFRATTOMETRO
• Cos’è? È un dispositivo che viene utilizzato per l’analisi della struttura cristallina dei campioni;
• Come funziona? Viene inviato un fascio di raggi X di energia opportuna sul campione e se ne studia il fascio emergente. L’analisi diffrattometrica consiste nella misuradell’angolo di diffrazione del fascio di raggi X diffratto dal campione.
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DIFFRATTOMETROSCHEMA A BLOCCHI
RIVELATORE AMPLIFICATORE
CONVERTITORE A/DPREAMPLIFICATORE
TENSIONE DI BIAS
CAMPIONE
FASCIO DI RAGGI X
TUBO A RAGGI X
FINESTRE
ASSE DI ROTAZIONE
MONO CROMATORE
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DIFFRATTOMETROPRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
• Vengono utilizzati raggi X di lunghezza d’ondaconfrontabile con il passo del reticolo cristallino;
• Il fascio viene collimato facendolo passare attraverso delle fenditure. Prima di queste in genere ci sono delle sottilissime lastre piane per lasciar passare solo le lunghezze d’onda di interesse;
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GEOMETRIA DI DIFFRAZIONE DEI RAGGI X
Raggi X
θ
Atomi nel reticolo cristallino
λ
d
LEGGE DI BRAGG
nλ = 2d sen θ
L’angolo θ di diffrazione dei raggi X dipende: •dalla distanza (d) tra gli atomi•dalla lunghezza d’onda (λ), ossia dalla energia, dei raggi X
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DIFFRATTOGRAMMA
• Il rivelatore legge l’intensità del raggio diffrattoche verrà riportato in funzione dell’angolo di diffrazione 2θ (pari alla somma dell’angolo di incidenza e di quello di emergenza);
• il risultato è un diffrattogramma, ossia uno spettro in cui le intensità dei picchi sono funzione dell’angolo di diffrazione;
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DIFFRATTOMETROI diffrattometri possono avere il fascio schermatooppure il fascio in aria libera.
Nel primo caso, se lo strumento è in perfetta efficienza, la radiazioneall’esterno è trascurabile
Nel caso del diffrattometro con fascio in aria libera è necessario schermarela radiazione X con un box in metallo di spessore opportuno e vetri anti X.
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MICROSCOPIO ELETTRONICO
• Il M.E. utilizza un fascio di elettroniopportunamente accelerato e focalizzato da un sistema di lenti elettromagnetiche, per la esplorazione della superficie di un preparato;
• esistono due tipi di M.E., il sem e il tem, il primo è a scansione e il secondo a trasmissione, ma dal punto di vista radioprotezionistico fra i due non esiste nessuna differenza in quanto il fascio di elettroni, a seguito dell’interazione con il campione in esame, emette radiazione X.
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MICROSCOPIO ELETTRONICO SCHEMA A BLOCCHI
MICROSCOPIO A TRASMISSIONE
(TEM)
MICROSCOPIO OTTICO
MICROSCOPIO A SCANSIONE (SEM)
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MICROSCOPIO ELETTRONICO Rischi
• I rischi per le persone che utilizzano il microscopio elettronico sono trascurabili, in quanto lo strumento e le finestre di visione sono schermati;
• L’uso di questi dispositivi è ritenuto sicuro, infatti è esente da particolari disposizioni normative in campo di utilizzo di radiazioni ionizzanti;
• Il datore di lavoro è comunque tenuto a formare il personale;
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