Dispositivi a raggi X - Dipartimento di Fisica - Università degli studi ...
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Dispositivi a raggi X Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione
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- Page 30: MICROSCOPIO ELETTRONICO Rischi •
<strong>Dispositivi</strong> a <strong>raggi</strong> X<br />
Università <strong>degli</strong> Stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> Cagliari<br />
Servizio <strong>di</strong> <strong>Fisica</strong> Sanitaria e Ra<strong>di</strong>oprotezione
TUBO A RAGGI X<br />
v<br />
FILAMENTO<br />
BERSAGLIO DI<br />
TUNGSTENO<br />
CIRCUITO<br />
DEL<br />
FILAMENTO<br />
CATODO<br />
CUFFIA<br />
APERTURA<br />
TUBO<br />
SOTTOVUOTO<br />
2
ELETTRODI DEL TUBO RX<br />
Elettrodo negativo<br />
(catodo)<br />
Elettrodo positivo<br />
(anodo)<br />
AMPOLLA<br />
SOTTO VUOTO<br />
Il tubo è costituito da una ampolla <strong>di</strong> vetro tenuta sottovuoto<br />
Il catodo è costituito da un filamento <strong>di</strong> tungsteno del tutto<br />
simile a quelli <strong>di</strong> una lampa<strong>di</strong>na ad incandescenza<br />
3
IL FILAMENTO<br />
Q = i x V x t<br />
6 V<br />
Q = calore prodotto<br />
i = corrente<br />
V = tensione<br />
t = tempo<br />
Collegando il filamento del catodo ai capi <strong>di</strong> un alimentatore a<br />
bassa tensione (3 ÷ 6 volt), si ottiene un riscaldamento del<br />
filamento per effetto termico della corrente (effetto joule)<br />
4
IL FILAMENTO<br />
Il calore prodotto per effetto joule fa aumentare la temperatura<br />
del filamento<br />
Il filamento si scalda tanto da <strong>di</strong>ventare incandescente (500 ÷<br />
800 °C)<br />
Il filamento resiste alle alte temperature perché il tungsteno ha<br />
una temperatura <strong>di</strong> fusione molto elevata.<br />
5
ENERGIA DI AGITAZIONE TERMICA<br />
TEMPERATURA<br />
AGITAZIONE TERMICA<br />
E = 3 2 x k x T<br />
E = Energia cinetica <strong>di</strong> una particella<br />
k = COSTANTE DI BOLTZMAN<br />
T = temperatura assoluta<br />
6
EFFETTO TERMOIONICO<br />
• L’energia cinetica <strong>degli</strong> elettroni aumenta con la temperatura;<br />
• Se l’energia cinetica dovuta all’agitazione termica è elevata,<br />
puó strappare gli elettroni dagli atomi del filamento;<br />
• Questo effetto è chiamato: effetto termoionico.<br />
7
EFFETTO TERMOIONICO<br />
È un processo <strong>di</strong> estrazione <strong>degli</strong> elettroni a causa della<br />
agitazione termica. Si traduce in tre fasi:<br />
1. Il filamento emette elettroni<br />
2. Il filamento assume una carica positiva<br />
3. Gli elettroni emessi rimangono in prossimità del filamento a<br />
causa della attrazione tra cariche opposte<br />
Nuvola elettronica<br />
addensata sul<br />
catodo<br />
8
ENERGIA DEGLI ELETTRONI<br />
Collegando catodo e anodo rispettivamente ai poli e <strong>di</strong><br />
un generatore <strong>di</strong> alta tensione, gli elettroni emessi dal catodo<br />
vengono attratti dall’anodo.<br />
-<br />
CATODO<br />
ANODO<br />
+<br />
+<br />
Quando gli elettroni arrivano<br />
all’anodo hanno una energia<br />
elevata:<br />
E c = e x ∆V<br />
E c<br />
= energia cinetica<br />
___<strong>degli</strong> elettroni;<br />
e = carica dell’elettrone<br />
___1.6 x 10 -19 C<br />
∆V = <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong><br />
____potenziale tra catod<br />
____e anodo<br />
Generatore <strong>di</strong> alta tensione<br />
9
COME VIENE CONVERTITA<br />
QUESTA ENERGIA?<br />
3 tipi <strong>di</strong> interazioni:<br />
• 1 – interazione dell’elettrone proiettile con gli elettroni<br />
delle orbite esterne <strong>degli</strong> atomi dell’anodo (atomi<br />
bersaglio).<br />
• 2 – passaggio ravvicinato dell’elettrone proiettile in<br />
prossimità <strong>di</strong> un nucleo dell’atomo bersaglio.<br />
• 3- interazione dell’elettrone proiettile con un elettrone<br />
dell’atomo bersaglio nelle orbite piú interne (K, L…)<br />
10
CALORE<br />
ELETTRONE<br />
+<br />
NUCLEO<br />
ATOMO<br />
• L’elettrone interagisce solo con gli<br />
elettroni delle orbite più esterne;<br />
• Perde solo una piccola parte della<br />
sua energia che si trasforma in<br />
calore;<br />
• Questa è l’interazione più frequente<br />
(99% dei casi);<br />
• L’anodo è costituito da materiale<br />
con un alto punto <strong>di</strong> fusione (es.<br />
Tungsteno o Molibdeno) quin<strong>di</strong> non<br />
fonde;<br />
• L’anodo viene raffreddato per<br />
evitare il deterioramento;<br />
11
RADIAZIONE DI FRENAMENTO<br />
LETTRONE<br />
+<br />
NUCLEO<br />
• L’elettrone passa in prossimità del<br />
nucleo;<br />
• Subisce una deviazione <strong>di</strong> traiettoria<br />
• A seguito dela deviazione l’elettrone<br />
perde parte della sua energia;<br />
• L’energia persa dall’e. Viene emessa<br />
come un fotone X;<br />
• Questa ra<strong>di</strong>azione è chiamata <strong>di</strong><br />
frenamento o bremsstrahlung<br />
ATOMO<br />
12
RADIAZIONE DI FLUORESCENZA X<br />
LETTRONE<br />
+<br />
NUCLEO<br />
• L’elettrone incidente urta contro un<br />
elettrone delle orbite più interne;<br />
• L’elettrone colpito viene espulso<br />
dall’atomo;<br />
• Un elettrone <strong>di</strong> un orbita più alta va<br />
ad occupare il posto lasciato libero<br />
nell’orbita interna;<br />
• Viene emesso un fotone X <strong>di</strong> energia<br />
pari all’energia persa dall’elettrone<br />
nella transizione;<br />
ATOMO<br />
13
SPETTRO DEI RAGGI X<br />
INTENSITÀ<br />
Spettro a righe dovuto alla<br />
ra<strong>di</strong>azione emessa a seguito<br />
della espulsione <strong>degli</strong> elettroni<br />
delle orbite interne.<br />
Spettro continuo dovuto alla<br />
ra<strong>di</strong>azione emessa a<br />
seguito del passaggio <strong>degli</strong><br />
elettroni nelle vicinanze del<br />
nucleo.<br />
ENERGIA<br />
14
INTERAZIONE DEI RAGGI X<br />
• I <strong>raggi</strong> X non sono altro che<br />
fotoni, del tutto identici ai <strong>raggi</strong> γ;<br />
• <strong>di</strong>fferiscono da questi solo per<br />
l’origine (i <strong>raggi</strong> γ hanno origine<br />
nel nucleo mentre i <strong>raggi</strong> X<br />
nascono a livello <strong>degli</strong> orbitali<br />
atomici);<br />
+<br />
x<br />
x<br />
γ<br />
• i <strong>raggi</strong> X interagiscono con la<br />
materia nello stesso identico<br />
modo della ra<strong>di</strong>azione gamma;<br />
Una volta emessi, i <strong>raggi</strong> X<br />
sono in<strong>di</strong>stinguibili dai <strong>raggi</strong> γ<br />
anche se in genere hanno<br />
energie più basse.<br />
15
DISPOSITIVI A RAGGI X<br />
Esistono <strong>di</strong>verse apparecchiature che sfruttano le ra<strong>di</strong>azion<br />
ionizzanti per effettuare misure, analisi e controlli;<br />
Nel campo della ricerca quelli maggiormente utilizzate sono:<br />
‣ SPETTROMETRO a <strong>raggi</strong> X <strong>di</strong> fluorescenza (XRF) con tubo a <strong>raggi</strong><br />
X o ra<strong>di</strong>oisotopi;<br />
‣ DIFFRATTOMETRO con tubo a <strong>raggi</strong> X;<br />
‣ MICROSCOPIO ELETTRONICO fascio <strong>di</strong> elettroni;<br />
‣ Detector per gascromatografia a cattura elettronica (ECD);<br />
‣ MISURATORE DI POLVERI IN ARIA con sorgenti ra<strong>di</strong>oattive<br />
16
SPETTROMETRO<br />
Cos’è? È un <strong>di</strong>spositivo che serve per effettuare l’esame<br />
dello spettro dei <strong>raggi</strong> X <strong>di</strong> fluorescenza emessi dai<br />
componenti dei materiali sottoposti ad analisi.<br />
Come funziona? L’emissione dei <strong>raggi</strong> X <strong>di</strong> fluorescenza<br />
è stimolata a sua volta da un fascio <strong>di</strong> <strong>raggi</strong> X generati da<br />
un tubo ra<strong>di</strong>ogeno o da una o più sorgenti ra<strong>di</strong>oattive.<br />
17
SPETTROMETRO<br />
SCHEMA A BLOCCHI<br />
TUBO A<br />
RAGGI X<br />
FASCIO DI<br />
RAGGI X<br />
PREAMPLIFICATORE CONVERTITORE A/D<br />
RIVELATORE AMPLIFICATORE<br />
RADIAZIONE DI<br />
AMPIONE<br />
FLUORESCENZA<br />
TENSIONE<br />
DI BIAS<br />
L'analisi dello spettro <strong>di</strong><br />
fluorescenza X emessa,<br />
consente <strong>di</strong> determinare la<br />
presenza e la concentrazione <strong>di</strong><br />
<strong>di</strong>versi elementi in un campione.<br />
Il metodo XRF è un metodo non<br />
<strong>di</strong>struttivo.<br />
Count<br />
E (keV)<br />
18
SPETTROMETRO<br />
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO<br />
• Negli spettrometri XRF un sottile fascio <strong>di</strong> <strong>raggi</strong> X<br />
colpisce il punto da analizzare ed eccita, per effetto<br />
fotoelettrico, gli stati elettronici più profon<strong>di</strong> <strong>degli</strong> atomi<br />
presenti;<br />
ELETTRONE<br />
FOTONE<br />
X<br />
+<br />
NUCLEO<br />
•La ra<strong>di</strong>azione X provoca<br />
l'estrazione <strong>di</strong> un elettrone da<br />
una delle orbite più vicine al<br />
nucleo (orbite k, l, m ).<br />
ATOMO<br />
19
SPETTROMETRO<br />
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO<br />
• Gli atomi così eccitati saltano ad un livello energetico<br />
superiore ma si <strong>di</strong>seccitano imme<strong>di</strong>atamente emettendo<br />
ra<strong>di</strong>azione X monocromatica ("righe" X) <strong>di</strong> energia<br />
caratteristica dell' elemento coinvolto.<br />
FOTONE X<br />
DI ENERGIA<br />
CARATTERISTICA<br />
ATOMO<br />
+<br />
•PER ESEMPIO:<br />
•Gli atomi <strong>di</strong> Ferro sono<br />
caratterizzati da una riga a<br />
6,4 keV (riga kα ) e da una riga<br />
a 7,1 keV (riga kβ ), gli atomi <strong>di</strong><br />
Rame da una riga a 8,03 keV ed<br />
una a 8.94 kev; e così via.<br />
20
SPETTROMETRO<br />
Lo spettrometro da laboratorio<br />
con tubo ra<strong>di</strong>ogeno è costituito<br />
da una struttura metallica <strong>di</strong><br />
gran<strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni, chiusa.<br />
I <strong>raggi</strong> X sono confinati al suo<br />
interno e sono schermati dalle<br />
pareti e da vetri al piombo.<br />
La struttura contiene anche il<br />
sistema <strong>di</strong> alta tensione, il tubo<br />
ra<strong>di</strong>ogeno e la camera <strong>di</strong><br />
analisi.<br />
21
DIFFRATTOMETRO<br />
• Cos’è? È un <strong>di</strong>spositivo che viene utilizzato per<br />
l’analisi della struttura cristallina dei campioni;<br />
• Come funziona? Viene inviato un fascio <strong>di</strong><br />
<strong>raggi</strong> X <strong>di</strong> energia opportuna sul campione e se<br />
ne stu<strong>di</strong>a il fascio emergente. L’analisi<br />
<strong>di</strong>ffrattometrica consiste nella misura<br />
dell’angolo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffrazione del fascio <strong>di</strong> <strong>raggi</strong> X<br />
<strong>di</strong>ffratto dal campione.<br />
22
DIFFRATTOMETRO<br />
SCHEMA A BLOCCHI<br />
FASCIO DI<br />
RAGGI X<br />
TUBO A<br />
RAGGI X<br />
TENSIONE<br />
DI BIAS<br />
PREAMPLIFICATORE<br />
RIVELATORE<br />
AMPLIFICATORE<br />
CONVERTITORE<br />
A/D<br />
FINESTRE<br />
CAMPIONE<br />
MONO<br />
CROMATORE<br />
ASSE DI ROTAZIONE<br />
23
DIFFRATTOMETRO<br />
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO<br />
• Vengono utilizzati <strong>raggi</strong> X <strong>di</strong> lunghezza d’onda<br />
confrontabile con il passo del reticolo cristallino;<br />
• Il fascio viene collimato facendolo passare attraverso<br />
delle fen<strong>di</strong>ture. Prima <strong>di</strong> queste in genere ci sono delle<br />
sottilissime lastre piane per lasciar passare solo le<br />
lunghezze d’onda <strong>di</strong> interesse;<br />
24
GEOMETRIA DI DIFFRAZIONE DEI<br />
RAGGI X<br />
Raggi X<br />
λ<br />
θ<br />
LEGGE DI BRAGG<br />
nλ = 2d sen θ<br />
d<br />
Atomi nel reticolo<br />
cristallino<br />
L’angolo θ <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffrazione dei <strong>raggi</strong> X <strong>di</strong>pende:<br />
•dalla <strong>di</strong>stanza (d) tra gli atomi<br />
•dalla lunghezza d’onda (λ), ossia dalla energia, dei <strong>raggi</strong> X<br />
25
DIFFRATTOGRAMMA<br />
• Il rivelatore legge l’intensità del <strong>raggi</strong>o <strong>di</strong>ffratto<br />
che verrà riportato in funzione dell’angolo d<br />
<strong>di</strong>ffrazione 2θ (pari alla somma dell’angolo d<br />
incidenza e <strong>di</strong> quello <strong>di</strong> emergenza);<br />
• il risultato è un <strong>di</strong>ffrattogramma, ossia uno spettro<br />
in cui le intensità dei picchi sono funzione<br />
dell’angolo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffrazione;<br />
26
I <strong>di</strong>ffrattometri possono<br />
avere il fascio schermato<br />
oppure il fascio in aria<br />
libera.<br />
Nel primo caso, se lo<br />
strumento è in perfetta<br />
efficienza, la ra<strong>di</strong>azione<br />
all’esterno è trascurabile<br />
DIFFRATTOMETRO<br />
Nel caso del <strong>di</strong>ffrattometro con fascio<br />
in aria libera è necessario schermare<br />
la ra<strong>di</strong>azione X con un box in metallo<br />
<strong>di</strong> spessore opportuno e vetri anti X.<br />
27
MICROSCOPIO<br />
ELETTRONICO<br />
• Il M.E. utilizza un fascio <strong>di</strong> elettroni<br />
opportunamente accelerato e focalizzato da un<br />
sistema <strong>di</strong> lenti elettromagnetiche, per la<br />
esplorazione della superficie <strong>di</strong> un preparato;<br />
• esistono due tipi <strong>di</strong> M.E., il sem e il tem, il primo<br />
è a scansione e il secondo a trasmissione, ma dal<br />
punto <strong>di</strong> vista ra<strong>di</strong>oprotezionistico fra i due non<br />
esiste nessuna <strong>di</strong>fferenza in quanto il fascio <strong>di</strong><br />
elettroni, a seguito dell’interazione con il<br />
campione in esame, emette ra<strong>di</strong>azione X.<br />
28
MICROSCOPIO ELETTRONICO<br />
SCHEMA A BLOCCHI<br />
MICROSCOPIO<br />
OTTICO<br />
MICROSCOPIO A<br />
TRASMISSIONE<br />
(TEM)<br />
MICROSCOPIO A<br />
SCANSIONE (SEM)<br />
29
MICROSCOPIO ELETTRONICO<br />
Rischi<br />
• I rischi per le persone che utilizzano il microscopio<br />
elettronico sono trascurabili, in quanto lo strumento e le<br />
finestre <strong>di</strong> visione sono schermati;<br />
• L’uso <strong>di</strong> questi <strong>di</strong>spositivi è ritenuto sicuro, infatti è<br />
esente da particolari <strong>di</strong>sposizioni normative in campo <strong>di</strong><br />
utilizzo <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azioni ionizzanti;<br />
• Il datore <strong>di</strong> lavoro è comunque tenuto a formare il<br />
personale;<br />
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