consumando solo 100 g di materiale.
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Per effettuare analisi isotopiche ultra sensibili è necessario per prima cosa fare una oculata scelta dell’acceleratore per ioni da usare.
Per effettuare analisi isotopiche ultra sensibili è necessario per prima cosa fare una oculata scelta dell’acceleratore per ioni da usare.
L’optimum per una svariata serie di applicazioni è il Van de Graff a tandem.
L’optimum per una svariata serie di applicazioni è il Van de Graff a tandem.
I tandem che lavorano a tensioni fra 0.5 e 3 MV sono quelle ottimali per il C-14.
I tandem che lavorano a tensioni fra 0.5 e 3 MV sono quelle ottimali per il C-14.
Tandem a più alta energia possono essere usati per i radionuclidi rari.
Tandem a più alta energia possono essere usati per i radionuclidi rari.
Gli altri acceleratori quali i ciclotroni non sono adatti a questo tipo di misure.
Ioni di carbonio negativi sono prodotti da una sorgente ionica e dopo essere passati
Ioni di carbonio negativi sono prodotti da una sorgente ionica e dopo essere passati
attraverso un magnete spettrometro sono iniettati in tandem.
attraverso un magnete spettrometro sono iniettati in tandem.
Nel caso del C-14, le interferenze isobariche sono del tutto limitate perché l’
Nel caso del C-14, le interferenze isobariche sono del tutto limitate perché l’1414N non N non
forma ioni negativi stabili.
forma ioni negativi stabili.
Misure di alta precisione sono condotte a mezzo di iniezioni simultanee o in sequenza
Misure di alta precisione sono condotte a mezzo di iniezioni simultanee o in sequenza
rapida degli isotopi
rapida degli isotopi 1212C, C, 1313C e C e 1414C.C.
Gli ioni negativi sono attratti dal terminale positivo ed accelerati fra 0.5 e 15 MeV,
Gli ioni negativi sono attratti dal terminale positivo ed accelerati fra 0.5 e 15 MeV,
successivamente passano attraverso un gas o una sotile foglia di Carbonio subendo
successivamente passano attraverso un gas o una sotile foglia di Carbonio subendo
uno “stripping”e diventando positivi.
uno “stripping”e diventando positivi.
Detti ioni sono di nuovo accelerati in direzione del successivo terminale negativo.
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Dopo lo stadio di accelerazione un magnete analizzatore seleziona il massimo
Dopo lo stadio di accelerazione un magnete analizzatore seleziona il massimo
probabile stato di carica ( tipicamente 3
probabile stato di carica ( tipicamente 3++ o 4 o 4++ ). Il magnete suddetto serve ). Il magnete suddetto serve ovviamente anche a pulire il fascio di ioni del fondo.
ovviamente anche a pulire il fascio di ioni del fondo.
L’identificazione degli ioni di C-14 viene effettuata con un rivelatore di ioni. Il
L’identificazione degli ioni di C-14 viene effettuata con un rivelatore di ioni. Il
rapporto isotopico
rapporto isotopico 1414C /C /1212C ( or C ( or 1414C/C/1313C) è derivato dai conteggi del C-14 nel C) è derivato dai conteggi del C-14 nel rivelatore e le correnti del
rivelatore e le correnti del 1212C e C e 1313C misurate nella tazza di Faraday. Una C misurate nella tazza di Faraday. Una metodologia simile è usata per analizzare radionuclidi rari cosmogenici il Be-10,
metodologia simile è usata per analizzare radionuclidi rari cosmogenici il Be-10,
Al-26. I campioni organici da analizzare devono essere purificati e trasformati
Al-26. I campioni organici da analizzare devono essere purificati e trasformati
in una targhetta di grafite per sorgenti ionica.
in una targhetta di grafite per sorgenti ionica.
La maggior parte dei campioni deve essere trattata per rimuovere il carbonio estraneo o per estrarre solo la frazione contenente solo il
La maggior parte dei campioni deve essere trattata per rimuovere il carbonio estraneo o per estrarre solo la frazione contenente solo il
carbonio originale.
carbonio originale.
Attraverso processi di combustione o di idrolisi dei campioni purificati è ottenuto il CO
Attraverso processi di combustione o di idrolisi dei campioni purificati è ottenuto il CO22. Successivamente a mezzo di processi catalitici il CO. Successivamente a mezzo di processi catalitici il CO2 2
è trasformato in una targhetta di grafite.
è trasformato in una targhetta di grafite.
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Campioni dell’ordine dei 20 microgrammi di Carbonio possono essere analizzati senza problemi anche se la contaminazione dovuta in situ e la contaminazione dovuta al processi chimici di preparazione ne limitano l’accuratezza e l’intervallo di datazione. I processi di ossidazione e grafitizzazione sono responsabili infatti per un fondo equivalente a 1
microgrammo di Carbonio moderno (6*104 atomi di C-14).
La precisione di questo sistema di datazione e’ dominata dall’errore statistico. Una massa
minima di 20 microgrammi di carbonio e’ necessario per effettuare datazioni recenti(<5000AC) con un errore dell1% (circa 80 anni). Con piu’ campioni dello stesso materiale si arriva a
precisioni dell’ordine dei 20 anni. La contaminazione del campione in fase di trattamento chimico limita in ultima analisi l’eta’ massima databile.
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Gli acceleratori furono sviluppati
Gli acceleratori furono sviluppati
come strumenti per la ricerca di
come strumenti per la ricerca di
base, partendo dagli albori della
base, partendo dagli albori della
fisica nucleare per arrivare alla
fisica nucleare per arrivare alla
fisica delle particelle elementari.
fisica delle particelle elementari.
Lo sviluppo degli acceleratori ha
Lo sviluppo degli acceleratori ha
permesso il conseguente sviluppo
permesso il conseguente sviluppo
di tutte quelle discipline tecniche
di tutte quelle discipline tecniche
necessarie quali la criogenia, il
necessarie quali la criogenia, il
vuoto, la progettazione vuoto, la progettazione meccanica, l’elettronica, meccanica, l’elettronica, l’automazione etc. l’automazione etc.
Il campo degli acceleratori è
Il campo degli acceleratori è
diventato una disciplina a se
diventato una disciplina a se
stante a partire dagli anni trenta
stante a partire dagli anni trenta
come è bene indicato nella figura
Dall’albero centrale che rappresenta la ricerca fondamentale si sono
Dall’albero centrale che rappresenta la ricerca fondamentale si sono
staccate nel corso degli anni diverse branche il cui scopo era quello di
staccate nel corso degli anni diverse branche il cui scopo era quello di
sviluppare acceleratori per applicazioni specifiche.
sviluppare acceleratori per applicazioni specifiche.
È evidente che la tendenza a risolvere problemi tecnici e industriali
È evidente che la tendenza a risolvere problemi tecnici e industriali
partiva sempre dai laboratori di fisica dove intenzionalmente o per
partiva sempre dai laboratori di fisica dove intenzionalmente o per
fortuna venivano scoperti o testati procedimenti che successivamente
fortuna venivano scoperti o testati procedimenti che successivamente
portavano ad importanti applicazioni tecniche.
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Una branca fondamentale per lo sviluppo tecnologico è quella della scienza dei
Una branca fondamentale per lo sviluppo tecnologico è quella della scienza dei
materiali.
materiali.
L’irraggiamento di materiali con particelle leggere o pesanti cosi’ come con
L’irraggiamento di materiali con particelle leggere o pesanti cosi’ come con
radiazioni elettromagnetiche provoca cambiamenti di legami chimici e/o la
radiazioni elettromagnetiche provoca cambiamenti di legami chimici e/o la
composizione del materiale stesso. Queste modifiche si accompagnano a nuovi
composizione del materiale stesso. Queste modifiche si accompagnano a nuovi
processi industriali o addirittura alla creazione di nuove branche industriali.
processi industriali o addirittura alla creazione di nuove branche industriali.
Allo stato attuale uno dei più importanti campi di applicazione
Allo stato attuale uno dei più importanti campi di applicazione
dell’irraggiamento dei materiali con gli elettroni è quello dei polimeri.
dell’irraggiamento dei materiali con gli elettroni è quello dei polimeri.
Una frazione consistente di radicali liberi neutri o carichi sono prodotti con
Una frazione consistente di radicali liberi neutri o carichi sono prodotti con
l’interazione con gli elettroni. I radicali formati come è noto sono fortemente
l’interazione con gli elettroni. I radicali formati come è noto sono fortemente
reattivi e reagiscono con altri polimeri, monomeri e altri additivi. Dalla ricerca
reattivi e reagiscono con altri polimeri, monomeri e altri additivi. Dalla ricerca
di base nella chimica delle radiazioni si è sviluppata una nuova branca di
di base nella chimica delle radiazioni si è sviluppata una nuova branca di
procedimenti chimici industriali. Vengono di solito utilizzati in queste
procedimenti chimici industriali. Vengono di solito utilizzati in queste
applicazioni elettroni da 300 keV.
Nella figura è possibile vedere il tempo necessario per l’assorbimento della radiazione
Nella figura è possibile vedere il tempo necessario per l’assorbimento della radiazione
determinando l’ opportunità economica, di una sorgente o di un’altra.
L’incorporazione di atomi in matrici di materiali
L’incorporazione di atomi in matrici di materiali
ha aperto un grandissimo campo di ricerca
ha aperto un grandissimo campo di ricerca
nell’ambito delle modifiche dei materiali.
nell’ambito delle modifiche dei materiali.
Gli obbiettivi degli irraggiamenti con ioni si
Gli obbiettivi degli irraggiamenti con ioni si
possono raggruppare nei filoni di seguito
possono raggruppare nei filoni di seguito
elencati:
elencati:
- Drogaggio, impiantazioni ioniche con specie
- Drogaggio, impiantazioni ioniche con specie
ioniche in concentrazioni moderate;
ioniche in concentrazioni moderate;
- produzione di strati o segregazione di impurità
- produzione di strati o segregazione di impurità
in metalli o di leghe in vari materiali;
in metalli o di leghe in vari materiali;
- Miscelamento ionico di sottili strati o interfacce
- Miscelamento ionico di sottili strati o interfacce
con definite deposizioni di energia;
con definite deposizioni di energia;
- Produzione di danneggiamento da radiazioni
- Produzione di danneggiamento da radiazioni
controllato quali amorfizzazione,
controllato quali amorfizzazione,
ricristallizzazione con l’aiuto di fasci ionici e
ricristallizzazione con l’aiuto di fasci ionici e
deposizione di metalli per spruzzamento su
deposizione di metalli per spruzzamento su
superfici.
superfici.
È appena il caso di ricordare che i transistors
È appena il caso di ricordare che i transistors
sono stati costruiti utilizzando tali tecniche
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Generatori di neutroni
Il metodo usato per la produzione di neutroni e’ quello di far urtare un fascio di ioni su una targhetta Vengono in genere usate le seguenti reazioni
7
Li(p,n)
7Be
3
H(
2H,n)
4He
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Una applicazione estemporanea dei neutroni veloci prodotti da un acceleratore per esempio con
Una applicazione estemporanea dei neutroni veloci prodotti da un acceleratore per esempio con
una reazione d,t che produce un fascio di neutroni da 14 MeV che viene
una reazione d,t che produce un fascio di neutroni da 14 MeV che viene
utilizzato per la ricerca di esplosivi in bagagli.
utilizzato per la ricerca di esplosivi in bagagli.
Si sfrutta il fatto che:
Si sfrutta il fatto che:
3H
2H, n
4HeN (14MeV)+16O 16O* + n (7,9 MeV)
16O + (6,13)MeV
N (14MeV)+14N 14N* + n (8,9 MeV)