Capitolo 6. Esperimento # 4 Fluorescenza X

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Capitolo 6 Esperimento # 4

Fluorescenza X

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6.1 Introduzione

Si chiamano Raggi X i fotoni emessi dagli atomi a causa del riarrangiamento degli elettroni nella struttura a shell degli orbitali atomici. I raggi X atomici hanno energie che vanno da alcuni keV a un centinaio di keV, e queste dipendono dal numero atomico e dall’orbitale coinvolto. Viene

classificata (impropriamente) come Raggi X anche la radiazione elettromagnetica emessa nei processi di frenamento di un fascio accelerato di elettroni in un metallo pesante. Questo tipo di emissione è quella che viene utilizzata nei generatori comunemente utilizzati per imaging radiografico in diversi campi di applicazione (medico, industriale, ecc…).

L’emissione di Raggi X di tipo atomico stimolata tramite il bombardamento di un materiale con radiazione ionizzante si chiama Fluorescenza X e viene comunemente utilizzata per eseguire analisi non distruttive multi-elementali di un campione.

In Fig.6.1 viene illustrato lo schema generale della tecnica Ion Beam Analysis (IBA), cioè l’ analisi di materiali ottenuta attraverso il bombardamento del campione con fasci ionici. In particolare, lo studio della fluorescenza X da un campione bombardato con fasci di particelle prende il nome di Particle Induced X-ray Emission (PIXE).

Fig.6.1: Schema generale della tecnica Ion Beam Analysis (IBA).

Nella Ion Beam Analysis, un fascio di particelle incide sul campione da analizzare. L’interazione delle particelle con gli atomi del campione provoca la ionizzazione e quindi la seguente emissione di radiazione X di fluorescenza. L’energia dei raggi X è funzione del numero atomico Z del

particolare atomo presente nel materiale per cui, se esso è multi-elementale (cioè contiene atomi di più elementi chimici), verranno emessi raggi X con energia corrispondente agli elementi presenti.

La radiazione X di fluorescenza è opportunamente rivelata e l’analisi quantitativa dello spettro di energia permette di risalire al numero dei raggi X emessi per ogni elemento presente nel campione e quindi, tramite opportune normalizzazioni, al numero di atomi di un determinato elemento nello strato analizzato.

Come esempio, nel seguito di questo paragrafo è descritta brevemente un’applicazione di queste tecniche nel campo dei Beni Culturali che documenta la potenza di questo metodo di analisi.

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Fig. 6.2: Il fascio di protoni in aria utilizzato presso il Dipartimento di Fisica di Firenze per attività IBA.

La Fig.6.2 riporta il sistema di “fascio in aria” utilizzato negli anni passati presso il Dipartimento di Fisica di Firenze per analisi di Fluorescenza X di antichi manoscritti ed in generale di opere d’arte.

Un fascio di protoni, prodotto da un acceleratore elettrostatico tipo Van de Graaff, viene estratto in aria, in modo da farlo incidere direttamente sul campione che viene posto nelle vicinanze del terminale dell’acceleratore. Rivelatori per radiazione X di tipo Si(Li) guardano il punto in cui il fascio di protoni (radiazione primaria) colpisce l’oggetto da analizzare per poter registrare la radiazione elettromagnetica secondaria (cioè i raggi X) emessa.

Fig. 6.3: Dettaglio dell’apparato per l’analisi IBA dei Manoscritti Galileiani.

La Fig.6.3 illustra un particolare del sistema utilizzato per studiare gli inchiostri dei manoscritti di Galileo Galilei. L’analisi di Fluorescenza X permette di caratterizzare i diversi tipi d’inchiostro

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utilizzati osservando i determinati elementi chimici che lo compongono. Poiché alcuni manoscritti Galileiani sono datati, è possibile classificare i tipi d’inchiostro utilizzati dallo scienziato nei diversi periodi della sua attivita’. In questo modo, una volta costruita la scala temporale di riferimento, è possibile classificare anche i documenti non datati, contribuendo alla ricostruzione cronologica delle opere Galileiane.

Un esempio di come gli inchiostri utilizzati da Galileo appaiano realmente diversi nell’analisi di fluorescenza X è riportato in Fig.6.4 dove sono mostrati 3 esempi di spettri di energia ottenuti bombardando righe di differenti manoscritti. E’ particolarmente evidente la differenza tra inchiostri ad alto o basso tenore di piombo utilizzati per esempio rispettivamente nel primo o nel secondo e terzo caso.

Fig. 6.4: Spettri PIXE ottenuti bombardando gli inchiostri dei manoscritti Galileiani.

E’ importante sottolineare come il bombardamento con fasci di protoni dei manoscritti non produca alcun danneggiamento del campione in quanto il rilascio energetico nel materiale è minimo, grazie alla ridottissima intensità del fascio primario. Inoltre anche l’area bombardata è molto piccola, poiché le dimensioni del fascio di protoni può essere facilmente contenuto in 1 - 2 mm di diametro.

In questo modo è possibile ottenere anche analisi di Fluorescenza X in funzione della posizione del fascio sul campione, costruendo una distribuzione bidimensionale per ciascun elemento presente.

Per poter valutare in concreto le potenzialità della tecnica di Fluorescenza X, occorre considerare i vantaggi e gli svantaggi che essa comporta, tenendo in opportuno conto che quando si parla di Fluorescenza X si intendono sia le tecniche che utilizzano come radiazione primaria particelle cariche (PIXE) che la fluorescenza indotta da radiazione elettromagnetica (raggi gamma, radiazione X ….). L’utilizzo dei diversi sistemi di radiazione primaria determina non solo le condizioni di utilizzo della tecnica (sistemi fissi da laboratorio o sistemi portatili) ma anche il tipo di sensibilità ottenibile, cioè la quantità minima di elementi in traccia che possono essere misurati.

Dal punto di vista dei vantaggi, è generalmente accettato che:

1) Gli spettri di Fluorescenza X sono semplici, anche quando sono analizzati campioni multi- elementali. Questo dipende dal fatto che i raggi X dipendono solamente dallo Z degli atomi

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presenti, mentre sono indipendenti dall’isotopo dell’elemento presente, al contrario di quanto avviene per altri tipi di analisi con tecniche nucleari (ad esempio nella tecnica PIGE, Particle Induced Gamma Ray Emission). Per ogni elemento chimico si hanno poche

transizioni X a seconda degli orbitali coinvolti. Le rese di Fluorescenza X e quindi gli spettri ottenuti possono essere considerati, in prima approssimazione, indipendenti dallo stato chimico del campione. Ciò semplifica l’analisi degli spettri e permette di utilizzare campioni di taratura aventi diversa natura.

2) La preparazione dei campioni non richiede particolari procedure.

3) L’analisi di Fluorescenza X può essere eseguita in modo che essa sia non-distruttiva. Come mostrato nel caso illustrato in precedenza, è possibile irradiare con fasci in aria direttamente i manufatti di interesse storico-archeologico senza danneggiarli.

4) La tecnica della Fluorescenza X può essere applicata in un vasto intervallo di

concentrazioni. In pratica, può essere utilizzata per caratterizzare la composizione di un determinato campione o anche per studiare elementi in traccia in concentrazione minima (ppm (parti per milione) o ppb (parti per miliardo)).

5) E’ possibile ottenere analisi con buona accuratezza sia per la buona statistica degli spettri che per la buona conoscenza di tutte le quantità fisiche che devono essere considerate nell’estrarre informazioni quantitative.

Bisogna però anche considerare gli svantaggi associati a questa tecnica:

1) I raggi X sono una radiazione scarsamente penetrante. Ciò significa che basta un piccolo spessore di materiale per impedirne la fuoriuscita dal campione. Quindi anche nell’ipotesi che la radiazione primaria possa penetrare in profondità nel campione, i raggi X che

arrivano al rivelatore sono quelli emessi nei primi strati del campione stesso (0.01-0.1 mm).

Quelli prodotti più in profondità non sono registrati in quanto auto-assorbiti dal materiale stesso.

2) L’energia dei raggi-X è funzione crescente del numero atomico (Z) dell’elemento (vedi la Fig.6.32 ed la tabella dell’ Appendice 6.1 di questo Capitolo). Gli elementi leggeri

(normalmente sotto l’Argon (Z=18)) hanno energie troppo basse per essere rivelati in molti sistemi di analisi.

3) Alcune transizioni X di alcuni elementi possono avere la stessa energia (nel caso di serie diverse: per esempio le righe K di un elemento e le righe L di un’altro). Questo implica che a volte l’analisi degli spettri richiederà l’utilizzo di software evoluti che risolvano i casi d’

interferenza inter-elementale.

4) Gli apparati per studi di Fluorescenza X possono essere costosi ed includere l’utilizzo di sistemi di laboratorio non trasportabili (ad esempio acceleratori di particelle). Nella maggior parte dei casi però, tali attività utilizzano sistemi strumentali in comune con molte altre applicazioni.

6.1 Apparato sperimentale

Scopo di questa esperienza è lo studio delle caratteristiche di un sistema portatile di

Fluorescenza X costituito da un generatore a stato solido e da un rivelatore a fotodiodo Si-PIN raffreddato tramite un sistema termoelettrico. Nella fase iniziale dell’esperimento saranno studiate le caratteristiche generali del rivelatore e del generatore. Si verificherà quindi il limite della tecnica di fluorescenza X dovuto alla attenuazione dei raggi X nella materia che limita l’uso di tale tecnica all’analisi della superficie dei materiali. Come parte conclusiva dell’esperimento si

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realizzeranno misure di campioni metallici multi-elementali per determinare la composizione delle leghe utilizzate.

L’ apparato sperimentale utilizzato per questa esperienza è mostrato in Fig. 6.5

Fig.6.5: Apparato sperimentale per lo studio della Fluorescenza X.

Fig. 6.6: Schema di un generatore di raggi X a stato solido COOL X.

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6.2 Il generatore di Raggi X a cristallo piroelettrico COOL-X

Fin dai tempi degli antichi Greci era noto che alcuni cristalli (come la tormalina) mostrano cariche di polarizzazione superficiale quando erano riscaldati. I materiali che presentano questa proprietà prendono l’appellativo di piroelettrici. Un cristallo piroelettrico ha quindi la proprietà di generare una differenza di potenziale quando sottoposto ad un ciclo termico.

Questa proprietà trova numerose applicazioni pratiche, una delle quali è la realizzazione di generatori di raggi X miniaturizzati, come quello mostrato in Fig. 6.6.

Per una specifica orientazione del cristallo, la superficie esterna è carica negativamente quando sottoposta ad un raffreddamento. Se il cristallo piroelettrico è immerso in un’atmosfera di gas a bassa pressione, la differenza di potenziale accelererà gli elettroni liberi presenti nel gas che

andranno a colpire un anodo metallico di rame posto a massa, producendo raggi X di fluorescenza e fotoni per frenamento, il cui spettro è mostrato in Fig. 6.7.

Fig. 6.7: Spettro di emissione di un generatore a stato solido COOL-X con un anodo di rame.

Si nota in Fig. 6.7 come il raffreddamento produca una differenza di potenziale di circa 35 kV nel sistema COOL X, come evidenziato dall’energia massima della radiazione elettromagnetica di frenamento prodotta. Inoltre si notano le righe corrispondenti alle transizioni K della targhetta di Cu prodotte per fluorescenza.

Dopo la fase di raffreddamento, una volta arrivati alla temperatura minima raggiungibile dal cooler utilizzato, il ciclo termico è invertito ed il cristallo viene riscaldato. In questo caso, sulla superficie apparirà un eccesso di carica positiva, che genererà una differenza di potenziale accelerante gli elettroni verso il cristallo stesso. Poiché il cristallo piroelettrico utilizzato è Tantalato di Litio (LiTaO3), il bombardamento del cristallo con elettroni produrrà lo spettro continuo di frenamento e le transizioni X (righe L) caratteristiche del Ta, come mostrato in Fig. 6.8 (NB. Le transizioni X del Li e O sono di bassa energia e non fuoriescono dal generatore, le righe K del Ta hanno energia troppo elevata per essere prodotte).

Lo spettro ottenuto sommando 300 cicli termici è mostrato sempre in Fig.6.8 (in basso a sinistra).

Notiamo come la scelta dell’anodo di rame e del cristalli di tantalato di litio, unitamente al valore della differenza di potenziale generata, provochi emissione di X caratteristici di energia di circa 8 keV che si sommano producendo un picco ben definito nello spettro integrato temporalmente che corrispondente ai suddetti 300 cicli termici. E’ da notare che la durata di un ciclo termico è di circa 2-5 minuti e durante il ciclo il sistema non produce un flusso costante di raggi X. Inoltre il

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costruttore sottolinea come la resa dei raggi X prodotti nei diversi cicli può anche essere diversa.

Una finestra sottile di Be posta nelle vicinanze dell’anodo di rame (vedi Fig. 6.6) permette la fuoruscita degli X prodotti in aria minimizzandone l’attenuazione.

Fig. 6.8: Spettri di energia dei raggi X prodotti da un cristallo piroelettrico: da sinistra in alto in senso orario, fase di riscaldamento, fase di raffreddamento, flussi corrispondenti ai vari cicli

termici e spettro somma.

Questo particolare generatore X ha inoltre la particolarità, per le sue caratteristiche costruttive, di avere una emissione focalizzata spazialmente, come mostrato in Fig. 6.9. Notiamo infatti come la resa di raggi X si annulli per angoli intorno a 90, minimizzando il rischio da radiazione per l’operatore che normalmente siede alle spalle della sorgente e facilitando l’ utilizzo anche in sistemi portatili.

La resa di una sorgente di questo tipo è di circa 10⁸fotoni al secondo ed il tempo di vita della sorgente è di circa 2000 ore di funzionamento quando non utilizzata in modo continuo.

Inoltre, come mostrato in Fig.6.10, le dimensioni reali della parte attiva della sorgente piroelettrica sono 15 mm di diametro e 10 mm di spessore: corrispondono cioè a quelle delle comuni

componenti elettroniche. Questo permette la realizzazione di sistemi di fluorescenza X miniaturizzati, come quello mostrato in Fig.6. 11 che trovano impiego in numerosi campi di applicazione sia nella ricerca che nei processi industriali .

Da un punto di vista pratico, il generatore piroelettrico è mostrato nel suo insieme in Fig.6.12. Il sistema compatto utilizza solo una pila da 9 Volt o un alimentatore esterno. Un interruttore serve per accendere il generatore ed un LED bicolore mostra la fase del ciclo termico (Rosso

riscaldamento/ Verde raffreddamento)

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Fig. 6.9: Tipica distribuzione angolare dei raggi X prodotti dalla sorgente piroelettrica COOL-X.

Fig. 6.10: Dimensioni reali della parte attiva della sorgente piroelettrica.

Fig. 6.11: Sistema di fluorescenza X miniaturizzato che viene utilizzato in Laboratorio.

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Fig. 6.12: Particolari funzionali del sistema.

Un punto molto importante è che la probabilità di indurre l’effetto fotoelettrico (e quindi la fluorescenza X ) in un determinato materiale ha una distribuzione che è fortemente piccata al valore dell’ energia di legame dell’elettrone, come mostrato in Fig. 6.13

Fig. 6.13: Sezione d’urto per effetto fotoelettrico per 12 elementi in funzione dell’energia della radiazione incidente.

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Risulta chiaro dalla Fig. 6.13 che, per produrre per esempio le transizioni K_ del Ferro, occorrono fotoni di energia E>7.1 keV, energia di legame degli elettroni della shell K. La probabilità di emissione decresce rapidamente all’aumentare dell’ energia. In conclusione, la parte dello spettro X utile per eccitare la fluorescenza nel Fe è compresa tra 7 e circa 10 keV, valore oltre il quale la probabilità decresce di quasi un ordine di grandezza.

In Fig. 6.14 i massimi della probabilità per la fluorescenza di Fe, Rb, Mo ed Ag sono riportati sullo spettro del generatore, in modo da verificare in maniera diretta anche se solo qualitativa, gli elementi che possono essere studiati con la sorgente COOL-X.

Fig. 6.14: Spettro di raggi X prodotti da sistema COOL-X con un target di rame.

Il Servizio di Radioprotezione dell’Università di Padova ha posto delle condizioni

sull’utilizzo del generatore. In pratica, quando il generatore è spento agendo sull’apposito pulsante, viene disconnessa l’alimentazione del cooler ma questo non implica che il

generatore non produca più raggi X a causa del tempo necessario per il ripristino dell’equilibrio termico. E’ stato infatti misurato che occorre attendere circa 30 minuti prima di poter intervenire manualmente nelle vicinanze del generatore.

Per questo motivo:

1) Il box contenente il generatore deve essere tenuto chiuso durante gli irraggiamenti e bisogna attendere 30 minuti dallo spegnimento del generatore prima di riaprire il box;

2) Il porta-campioni può essere manovrato tramite un’asta sia per cambiare il campione irradiato sia per estrarre fuori dal box il porta-campioni per sostituirlo.

Prima di far partire il generatore si raccomanda di verificare insieme al docente del laboratorio che tutte le condizioni su esposte siano state soddisfatte.

6.3 Rivelatore per raggi X

E’ noto come in tutti i materiali gli elettroni possono occupare solo livelli discreti di energia. In particolare nella struttura cristallina gli elettroni si posizionano all’interno di due bande di energia possibili. La banda più bassa è chiamata banda di valenza, quella più alta banda di conduzione.

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Quest'ultima contiene gli elettroni che sono capaci di interagire con altri atomi ed è responsabile delle proprietà chimiche dell'atomo. In particolare, essa determina se il materiale è un conduttore, un isolante o un semiconduttore. Come mostrato in Fig.6.15 tra le due bande esiste una zona intermedia, che in condizioni normali risulta inaccessibile agli elettroni: il gap proibito di energia.

Fig. 6.15: Struttura a bande nei diversi tipi di materiali.

Quando il valore del gap proibito è tale che le fluttuazioni termiche che avvengono a temperatura ambiente riescono a far transitare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione si parla di un conduttore, in caso contrario di un isolante. Un semiconduttore ha invece un gap proibito intermedio fra i due casi precedenti. In un semiconduttore la banda di valenza allo zero assoluto è completamente piena mentre a temperatura ambiente esistono alcuni elettroni che per la

distribuzione delle energie possono superare il gap e sono liberi di muoversi nella banda di conduzione.

Quando la radiazione ionizzante entra nel cristallo nel corso delle collisioni che determinano la perdita di energia essa può ionizzare il cristallo eccitando un certo numero di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione e creando quindi un numero di coppie elettrone-lacuna.

I rivelatori a semiconduttore sono quindi essenzialmente delle camere a ionizzazione in cui il gas è sostituito con un mezzo solido di bassa conducibilità. Se una particella ionizzante attraversa questo mezzo, essa crea delle coppie elettrone-lacuna, che sono separate dal campo elettrico e raccolte agli elettrodi. I valori del gap proibito per alcuni materiali utilizzati come rivelatori a semiconduttore sono mostrati nella tabella 6.1.

Tab. 6.1: Energia del “band gap” proibito per alcuni materiali semiconduttori.

Mentre in un contatore a gas sono necessari circa 30 eV per creare una coppia elettrone-lacuna, nei rivelatori a semiconduttore ne bastano solo 1-2 eV. Quindi a parità di altre condizioni, il segnale di uscita è in questi ultimi circa 15-30 volte maggiore rispetto a quello prodotto in un contatore a gas.

Come ulteriore confronto, ricordiamo che nel caso di rivelatori a scintillazione tipo NaI(Tl) un

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fotone da un MeV produce circa 8000 elettroni al fotocatodo del fotomoltiplicatore e quindi ogni fotoelettrone costa in media circa 125 eV.

Il silicio è il più diffuso dei semiconduttori e viene massicciamente impiegato nell’industria elettronica. Come rivelatore di radiazione ha il valore del gap proibito leggermente più elevato del germanio. A temperatura ambiente è possibile utilizzare i rivelatori al silicio per rivelare

direttamente radiazione ionizzante carica (elettroni, protoni, alfa) con buona risoluzione. Un tipico spettro alfa rivelato con un semiconduttore al Si a temperatura ambiente è mostrato in Fig. 6.16.

Dallo spettro in Fig. 6.16, si ha una larghezza di 25 keV [FWHM] per il picco alfa di energia 4.77 MeV per cui la risoluzione risulta R=5 %.

In Fig.6.17 sono mostrati alcuni tipi di rivelatori al Silicio disponibili in commercio. Le dimensioni fisiche dei cristalli sono di alcuni centimetri di diametro.

Fig. 6.16: Tipico spettro di energia di particelle alfa dal decadimento del ²³⁴U in un rivelatore al silicio.

Fig. 6.17: Alcuni tipi di rivelatori al silicio per la rivelazione di radiazione ionizzante.

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Quando il silicio è raffreddato, è possibile migliorare notevolmente la risoluzione energetica, poiché si riduce il rumore del rivelatore dovuto all’agitazione termica. Un tipico spettro ottenuto da un rivelatore Si(Li) specifico per raggi X raffreddato alla temperatura dell’azoto liquido è mostrato in Fig. 6.18.

Fig.6.18: Raggi X K_ e K_ da una rorgente di ⁵⁵Fe misurati in un rivelatore Si(Li) raffreddato a 77 K.

Per il picco a 5.9 keV dovuto ai raggi X della serie K_ del Mn si misura una larghezza di 148 eV [FWHM], per cui la risoluzione in energia è R=2.5 %.

Anche nel caso dei rivelatori a semiconduttore la tecnologia moderna ha ricercato soluzioni per evitare di utilizzare gas liquefatti per il raffreddamento. Per quello che riguarda la rivelazione di raggi X con silicio, sono disponibili oggi rivelatori che raffreddano un wafer di silicio a temperatura di -30° C tramite celle ad effetto termoelettrico. Questo è il caso del rivelatore XR100-CR

utilizzato in questa esperienza. Questo rivelatore è mostrato in Fig.6.19.

In particolare il XR100-CR disponibile in laboratorio ha una superficie di 7 mm²e spessore di 300 m.

In questo caso il semiconduttore è montato direttamente sull’elettronica di lettura ed il tutto è posto sulla cella ad effetto termoelettrico usata per il raffreddamento. Le dimensioni della parte attiva sono minime e l’ingresso dei raggi X è ottenuto attraverso un foglio sottile (25 micron) di Berillio che minimizza l’assorbimento della radiazione elettromagnetica nella finestra di ingresso del rivelatore, come mostrato in Fig. 6.20 (sinistra).

Fig. 6.19: Rivelatore XR100-CR per raggi X.

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Fig. 6.20: Trasmissione dei raggi X attraverso finestre sottili di Berillio (sinistra) ed efficienza intrinseca di rivelazione per X in Silicio di spessore 200, 300 e 500 micron (destra).

In queste condizioni l’efficienza intrinseca di rivelazione per un rivelatore di Si di spessore 200, 300 o 500 micron è mostrata in Fig.6.20 (destra).

Una tipica risoluzione ottenibile con il rivelatore XR100-CR è riportata in Fig. 6.21. La larghezza del picco è di 186 eV [FWHM] a 5.9 keV per cui R=3.1%. Notiamo che, come atteso, la risoluzione ottenibile sia funzione della temperatura del semiconduttore ed il valore ottenuto sia inferiore a quanto riportato precedentemente per il sistema raffreddato ad azoto liquido.

Fig. 6.21: Spettro di raggi X da sorgente di ⁵⁵Fe.

6.3.1 Elettronica per spettrometria X

Per ottenere uno spettro di ampiezze da un rivelatore a silicio occorre realizzare il sistema spettrometrico mostrato in Fig. 3.10 della dispensa relativa allo Scattering Compton.

Nel caso specifico della spettroscopia X, il rivelatore XR100-CR è controllato tramite un sistema integrato fornito dalla ditta costruttrice chiamato PX2CR: Power Supply & Shaping Amplifier for the XR-100CR, che è mostrato in Fig. 6.22.

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Fig. 6.22: Power Supply & Shaping Amplifier per il rivelatore XR-100CR.

Il sistema integrato fornisce:

a) Le basse tensioni per alimentare il preamplificatore del rivelatore XR100-CR b) L’alta tensione per polarizzare il silicio

c) L’alimentazione del cooler che raffredda il silicio

d) Un amplificatore per formare il segnale del silicio: lo shaping time di questo amplificatore è fisso a ST=12 s mentre è possibile controllare il guadagno dell’amplificatore attraverso un potenziometro esterno che normalmente è settato ai valori ottimali che non devono essere modificati.

In Fig. 6.23 è mostrata la forma del segnale in uscita dall’amplificatore osservabile all’oscilloscopio ed una tabella di correlazione tra valore dello shaping time e larghezza del segnale.

Shaping Time Constant Pulse Width Standard 12 µs 22 µs FWHM

Optional 6 µs 15 µs FWHM

Optional 20 µs 54 µs FWHM

Fig. 6.23: Uscita dell’amplificatore PX2CR (12 s ST) e correlazione tra valore dello shaping time e risoluzione.

Il valore dello shaping time determina il tempo morto del sistema, cioè il tempo necessario per processare un evento durante il quale il sistema non accetta nessun altro evento, come mostrato in Fig. 6.24.

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Fig.6.24: Rapporto tra conteggio in uscita e conteggio in entrata per costanti di shaping time diversi.

Infine, segnaliamo come esista per questo sistema una correlazione tra la posizione del picco, la sua larghezza (e quindi risoluzione) e la frequenza di conteggio, come mostrato in Fig. 6.25. Occorre quindi sempre tenere sotto controllo la velocità di acquisizione per controllare di non lavorare in zone critiche.

Fig. 6.25: Risoluzione e spostamento del picco in funzione del ritmo di conteggio.

Il segnale in uscita dall’amplificatore è mandato direttamente al sistema di acquisizione descritto alla fine di questo capitolo.

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4. Protocollo Sperimentale

Scopo dell’esperimento di Fluorescenza X è:

a) Verificare la legge di attenuazione della radiazione elettromagnetica nei materiali, determinando il coefficiente di attenuazione di massa corrispondente.

b) Verificare la legge di Mooseley, cioè la dipendenza dell’ energia dei Raggi X dal tipo di materiale (numero atomico).

c) Realizzare analisi multi-elementali (qualitative e quantitative) di campioni metallici (monete, pigmenti) o campioni a scelta degli studenti.

Per il punto a) si utilizzerà soltanto il rivelatore con una sorgente di ²⁴¹Am, mentre per i punti b) e c) si utilizzerà anche il generatore di Raggi X.

Il protocollo sperimentale è direttamente ripartito tra le tre sessioni a disposizione per

l’esperimento. La struttura temporale dell’esperimento è solo una guida per l’attività e può essere variata dagli studenti.

Prima sessione: calibrazione del rivelatore XR100-CR, misure di attenuazione

1) Aprite il box dell’esperimento. Estraete il coperchio di piombo. Troverete già disconnesso l’alimentazione del generatore X in modo da lavorare in completa sicurezza (vedi Fig. 6.26).

Fig. 6.26: Interno del box dell’ esperimento. La freccia blu indica il generatore di raggi X mentre la freccia rossa indica il porta campione.

Troverete già posizionata a circa 2 cm dal collimatore in piombo del rivelatore XR100-CR il porta sorgente/collimatore in ferro con la sorgente di ²⁴¹Am.

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2) Osservate la calibrazione volt/temperatura del rivelatore e mettete in funzione il multimetro collegato alle boccole per il controllo della temperatura. Accendete l’elettronica del

rivelatore (l’interruttore ON/OFF è posizionato sul retro del modulo). Il potenziometro che controlla il GAIN dell’amplificatore è settato al valore ottimale e non deve essere

modificato. Osservate tramite il tester la variazione della temperatura del cooler del rivelatore.

3) Troverete gia’ collegata l’uscita dell’amplificatore all’ingresso del sistema di acquisizione multicanale mediante l’apposito cavo BNC.

4) Calibrazione in energia. Lo spettro della sorgente di ²⁴¹Am presenterà (vedi Fig.6.27) le due transizioni X più intense a 13.95 keV e 17.74 keV dovute al ²³⁷Np popolato tramite decadimento alfa ed il gamma da 59.54 keV (vedere lo schema di decadimento del ²⁴¹Am riportato nel Capitolo 2 di queste dispense).

Fig. 6.27: Tipico spettro della sorgente di ²⁴¹Am come presentato dalla ditta Amptek (sinistra) e quello misurato in laboratorio (destra).

Acquisite uno spettro per circa 5 minuti. Operate una prima calibrazione dello spettro utilizzando le due righe X a 13.95 e 17.74 keV e controllate che l’energia risultante per la riga a 59.54 keV sia corretta: controllate cioè che non vi siano saturazioni nello spettro che state registrando.

Dopo questo controllo registrate uno spettro per 10 minuti e ricalibratelo utilizzando questa volta tutte e tre le righe a 13.95, 17.74 e 59.54 keV. Riportate i valori sul log file e salvate lo spettro.

Verificate che le risoluzioni in energia ottenute [FWHM] siano comparabili con quelle riportate in Figura 6.27. Nello spettro compaiono altre transizioni. Sulla base della calibrazione ricavate le energie corrispondenti. Utilizzando la tabella delle energie dei raggi X in Appendice 6.1 e lo schema di decadimento del ²⁴¹Am interpretate lo spettro e riportate quanto determinato sul log file.

5) Misura di attenuazione. Scopo di questa parte dell’esperienza è di verificare la legge di attenuazione della radiazione elettromagnetica utilizzando assorbitori di Allumino (densità 2.7 g/cm³) per i raggi X da 13.95 e 17.74 keV emessi dalla sorgente di ²⁴¹Am. Il coefficiente di attenuazione  è definito dalla relazione

dove Io ed I(x) sono rispettivamente l' intensità della radiazione misurata senza e con lo spessore x di materiale. Poiché i raggi X sono scarsamente penetranti, essi saranno attenuati fortemente anche

e

x

I x

I ( ) 

₀ ^

^

^

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da minimi spessori di alluminio. Un millimetro di alluminio dovrebbe attenuare di un ordine di grandezza i raggi X di circa 15 keV. E’ quindi necessario preparare assorbitori aventi spessore nel range 0.1-1 mm. A tale scopo è disponibile un foglio di alluminio di spessore 0.2 mm che è stato utilizzato per preparare cinque assorbitori di spessore crescente nel range di interesse 0.2-1-0 mm e passo 0.2 mm. Controllate lo spessore del foglio pesando un campione di 5 x 5 cm². Una volta preparati gli assorbitori rimisurate (e registrate ) lo spettro della sorgente senza attenuatore e poi con spessore crescente, registrando il tempo di misura nel log file. Il tempo di misura deve essere tale che l’errore statistico sull’area dei picchi sia dell’ordine di qualche per cento. Una volta completata la misura, potete ricavare l’integrale dei picchi. Il valore del coefficiente di attenuazione  si può ricavare da un fit esponenziale o dalla relazione lineare:

Stimate l' errore sul valore misurato di  e confrontate il valore ottenuto con quelli tabulati (vedi i dati disponibili nel sito: http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html). I valori di

 per alluminio in funzione dell’ energia del fotone sono riportati in Fig. 6.28.

Fig.6.28: Coefficiente di attenuazione per Al in funzione dell’energia.

)

0

(

ln I x     x  I

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ESPERIMENTO FLUORESCENZA X SET UP E CALIBRAZIONE DEL RIVELATORE

XR100-CR

Gruppo... Padova...

V(Monitor temperatura)=………….mV Temperatura=………^oC Sorgente ²⁴¹Am

Caratteristiche segnale Amplificatore

Forma Segnale Vmax t@Vmax

(s) Livello Rumore

(mV) Anodo

Guadagno Amplificatore: ...

SPETTRO DI CALIBRAZIONE CON ²⁴¹Am

Tempo di misura………..s

Spettro salvato come………

Analisi spettro Picco

#

Energia (keV)

Risoluzione Integrale Origine del Picco

1 13.95 Raggi X L Np

3 59.54 Transizione E1 nel

237Np 4

5 6 7 8 9

Calibrazione: E (keV) = A x Canale – B A= …………..keV/Canale

B=…………... keV

(22)

ESPERIMENTO FLUORESCENZA X MISURA DELLA ATTENUAZIONE

RIVELATORE XR100-CR

Gruppo... Padova...

Sorgente ²⁴¹Am

Attenuatori Alluminio (densità  =2.7 g/cm³ ) Guadagno Amplificatore: ...

Spessore (mm)

Tempo misura (secondi)

Conteggi

@13.95 keV

Conteggi

@17.74 keV

File

(23)

Seconda sessione: uso del generatore COOL-X e verifica della legge di Moseley.

1) Rimettete in funzione il rivelatore e calibratelo con la sorgente di ²⁴¹Am. Riportate i dati nel log file e salvate lo spettro.

2) Ricollegate l’alimentazione del generatore COOL-X e chiedete all’assistente di laboratorio di rimuovere la sorgente di ²⁴¹Am. Montate un porta-campioni di plexiglas vuoto e

posizionatelo sulla posizione di irraggiamento. Chiudete il box con la fodera di piombo e con il coperchio. Ricordate che occorre attendere 30 minuti dallo spegnimento del generatore per riaprire il box. E’ comunque possibile sostituire il porta-campione tramite l’apertura laterale spingendo l’asta graduata verso destra. Fate partire il generatore operando sull’apposito pulsante. Osservate il led che vi indica la fase di riscaldamento o di

raffreddamento del generatore. Aspettate circa 30 secondi dallo start e fate partire il sistema di acquisizione. Registrate uno spettro di fondo di circa 10 minuti. Interpretate lo spettro ottenuto.

Fig. 6.29: Esempio di spettro di fondo registrato in laboratorio.

3) Sostituite il porta-campioni di plexiglas vuoto con quelli contenenti i campioni mono- elementali di Fe, Ni, Cu. Acquisite e registrate gli spettri dei campioni di Fe, Ni, Cu per circa 10 minuti, identificando le righe K del Fe e del Cu. Salvate sempre gli spettri e riportate nel log file i valori ottenuti per le righe Ke Kdei nuclei studiati. Confrontateli con i valori tabulati.

(24)

Fig. 6.30: Esempio di spettro di fluorescenza di un campione di Fe registrato in laboratorio.

In rosso lo spettro di fondo.

4) A seconda del tempo che vi e’ rimasto, continuate a misurare gli spettri relativi agli altri campioni mono-elementali a vostra disposizione ed interpretate gli spettri ottenuti.

5) Verificate la legge di Moseley sulla dipendenza dell’energia dei raggi X dal numero atomico:

per le transizioni K, K, L, L misurate.

)

2

1 ( 



 k Z

E

(25)

XR100-CR

Gruppo... Padova...

Analisi spettro Picco

# Energia

(keV) Risoluzione Integrale Origine del Picco

3 59.54 E1 237Np

B=…………... keV

(26)

ESPERIMENTO FLUORESCENZA X

RIVELATORE XR100-CR

Gruppo... Padova...

Spettro di fondo del generatore COOL-X

Porta Campioni alluminio inserito nella posizione #...

Tempo di misura………s Nome File………..

Picco

# Energia

(keV) Risoluzione Integrale Origine del Picco 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

(27)

RIVELATORE XR100-CR

Gruppo... Padova...

Campione di………

Tempo di misura………s Nome File………..

Picco

#

Energia (keV)

Risoluzione Integrale Conteggi Spettro fondo

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Picco

#

Energia (keV)

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(28)

RIVELATORE XR100-CR

Gruppo... Padova...

Picco

#

Energia (keV)

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Picco

#

Energia (keV)

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(29)

RIVELATORE XR100-CR

Gruppo... Padova...

Picco

#

Energia (keV)

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Picco

#

Energia (keV)

Origine del Picco

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(30)

Terza sessione: misure di fluorescenza di campioni multi- elementali.

1) Rimettete in funzione il rivelatore e calibratelo con la sorgente di ²⁴¹Am. Riportate i dati nel log file e salvate lo spettro.

2) Ricollegate l’alimentazione del generatore COOL-X e chiedete all’assistente di laboratorio di rimuovere la sorgente di ²⁴¹Am. Montate i porta-campioni contenenti le altre serie di campioni multi-elementali e/o campioni di vostro interesse (concordati preventivamente con l’assistente di laboratorio) e completate l’ esperienza.

Fig. 6.31: Esempio di spettro di fluorescenza di una moneta da 50 Lire. Il fondo strumentale è stato sottratto.

(31)

XR100-CR

Gruppo... Padova...

Analisi spettro Picco

#

Energia (keV)

Risoluzione Integrale Origine del Picco

3 59.54 E1 237Np

Il multicanale SpectLab

Nel presente esperimento vien utilizzato il sistema ADC-Multicanale SpectLab. Lanciate il programma cliccando sull’icona “SpectLab” sul desktop. Aspettare che il sistema dia “ready”

segnalando che il collegamento tra PC e sistema ADC-MCA è pronto e quindi connettere il MCA.

I parametri di funzionamento del sistema sono già impostati e non vi è necessità di modificarli. Il manuale d’uso del ADC-MCA è vicino all’apparato sperimentale ed e’ a disposizione degli studenti. Le funzioni d’interesse sono ovviamente quelle di start-stop dell’acquisizione, del salvataggio dei files, dell’inserimento delle ROI (Region-of-Interest), cioè l’ identificazione dei picchi di interesse e la calibrazione del sistema. Questo ADC-MCA è dotato di una libreria delle transizioni X dei diversi elementi che permettono l’ interpretazione immediata degli spettri.