Dispositivi a raggi X -...

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

Dott.Alessandra Bernardini – [email protected] di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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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


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 – [email protected] 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


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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


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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 – [email protected]

Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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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.


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 – [email protected]

Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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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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