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