«Περιβαλλοντικές επιπτώσεις και προστασία των υπαίθριων µπρούτζινων µνηµείων στην Ελλάδα» ΕΚΘΕΣΗ ΠΕΠΡΑΓΜΕΝΩΝ

Transcript

1 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙ ΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗ & ΑΡΧΙΚΗ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ (Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ. II) «ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ ΙΙ - ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑ ΩΝ ΣΤΑ ΤΕΙ (ΕΕΟΤ)» «Περιβαλλοντικές επιπτώσεις και προστασία των υπαίθριων µπρούτζινων µνηµείων στην Ελλάδα» Φορέας Υλοποίησης: Τ.Ε.Ι Αθήνας - Συντήρηση Αρχαιοτήτων και Έργων Τέχνης ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: καθηγητής ρ. Χαραλάµπους ηµήτρης ΕΚΘΕΣΗ ΠΕΠΡΑΓΜΕΝΩΝ ραστηριότητα 2: Εφαρµογή µη καταστρεπτικών τεχνικών ανάλυσης της επιφανείας. Εργαστηριακές δοκιµές µε φορητό XRF και χρωµατόµετρο σε µεταλλικά δοκίµια µε διαφορετικές πατίνες. Προτυποποίηση των τεχνικών για το προσδιορισµό της σύστασης και των χρωµατικών ιδιοτήτων του διαβρωµένου χαλκού και των κραµάτων του. Πακέτο Εργασίας Ι: Τεκµηρίωση της κατάστασης και παρακολούθηση των αλλαγών σε Υπαίθρια Μπρούτζινα Μνηµεία ιάρκεια ραστηριότητας 2: 1/4/ /10/2005 Οµάδα εργασίας Χ. ΖΑΡΚΑ ΑΣ, Α. ΚΑΡΥ ΑΣ, Ε. ΡΑΚΑΚΗ, Ι. ΣΙΑΝΟΥ ΗΣ

2 1. Περιγραφή του φασµατοµέτρου Η τεχνική του φθορισµού των ακτίνων Χ (Χ-Ray Fluorescence) αποτελεί µια αναλυτική τεχνική, η οποία βασίζεται στην παραγωγή και ανίχνευση της εκπεµποµένης χαρακτηριστικής ακτινοβολίας Χ από τα άτοµα. Με κατάλληλο λογισµικό που ενσωµατώνει τις βασικές φυσικές αρχές παραγωγής αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ µε την ύλη µπορεί να επιτευχθεί ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισµός των στοιχείων ενός δείγµατος. Για τις ανάγκες του προγράµµατος «ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ» και λαµβάνοντας υπ όψην τις ιδιαιτερότητες των επιτοπίων αναλύσεων σχεδιάστηκε, µελετήθηκε και πραγµατοποιήθηκε το φορητό φασµατόµετρο ακτίνων Χ που εικονίζεται στην Εικόνα 1. Η διάταξη αποτελείται από λυχνία ακτίνων Χ, θερµοηλεκτρικά ψυχόµενο ανιχνευτή Si-PiN, Lasers για τον εντοπισµό του αναλυοµένου σηµείου και σύστηµα ευθυγραµµιστών για τον περιορισµό της παραγοµένης διεγείρουσας δέσµης ακτίνων Χ. Εικόνα 1. Μπροστινή όψη του φορητού φασµατοµετρου πάνω στη βάση του για λειτουργία στο εργαστήριο.

3 Όσον αφορά στη λυχνία των ακτίνων Χ πρόκειται για λυχνία γεωµετρίας διέλευσης µε άνοδο αργύρου (Ag). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της λυχνίας αλλά και του ανιχνευτή µπορούν να βρεθούν στις δικτυακές σελίδες: και αντίστοιχα, όπως επίσης και στα εγχειρίδια λειτουργίας τους. Στην τελική διάταξη (Εικόνα 1) η λυχνία των ακτίνων Χ βρίσκεται τοποθετηµένη σε κατάλληλα διαµορφωµένους κύβους Al που παρέχουν ακτινοπροστασία και αναπαραγωγίσιµες γεωµετρικές συνθήκες. Στην πράξη, ο όγκος του Al λειτουργεί και ως ψύκτρα εξασφαλίζοντας µαζί µε τον ανεµιστήρα τύπου Papst 612FL την απαιτούµενη ψύξη της λυχνίας. H έξοδος της λυχνίας, (Εικόνα 2) ακριβώς στο άκρο του παραθύρου Be καλύπτεται από θωράκιση χάλυβα κυλινδρικού σχήµατος και πάχους 3mm (1). Στο µπροστινό άκρο του χαλύβδινου κυλίνδρου βρίσκεται τοποθετηµένος ο πρώτος ευθυγραµµιστής (2) (δίσκος Ag πάχους L1=2.5 mm και διαµέτρου διαφράγµατος d1=1.5 mm). Σε απόσταση 7mm βρίσκεται ο δεύτερος ευθυγραµµιστής (3) (δίσκος Ag πάχους L2=2 mm και διαµέτρου διαφράγµατος d2=1.5 mm) ενώ σε απόσταση 17mm από το δεύτερο βρίσκεται ο τρίτος ευθυγραµµιστής (4) ίδιων διαστάσεων και υλικού µε τον δεύτερο. Ο δεύτερος και ο τρίτος ευθυγραµµιστής είναι µε τη σειρά τους τοποθετηµένοι σε χαλύβδινο κούφιο κανονάκι οµοαξονικό µε τη λυχνία (5). Το άκρο του έχει επενδυθεί µε δακτύλιο από Teflon (6). Ενδιάµεσα του δευτέρου και τρίτου ευθυγραµµιστή µπορεί να ολισθαίνει ένας επιλογέας φίλτρων (7) τριών θέσεων που κλειδώνει µε έναν απλό µηχανισµό µπίλιας - ελατηρίου. Ο ανιχνευτής Si-PIN είναι τοποθετηµένος σε γωνία 45º σχετικά µε το διαµήκη άξονα της λυχνίας και µπορεί να ολισθαίνει µόνο πάνω στην κατεύθυνση των 45º επιτρέποντας έτσι την προσαρµογή της απόστασής του από το αναλυόµενο αντικείµενο. Για την προστασία του παραθύρου Be, τη θωράκιση του ανιχνευτή και τον περιορισµό της ενεργού επιφάνειας του κρυστάλλου, ο ανιχνευτής καλύπτεται στο άκρο του από ορειχάλκινο κυλινδρικό ευθυγραµµιστή (8) που φέρει στο κέντρο του δίσκο Ag (9) πάχους 2 mm και διαφργµατος διαµέτρου 1.2 mm. 2. Μεθοδολογία Μελέτη κατασκευής Η τελική γεωµετρία και η επιλογή ευθυγραµµιστών διεγείρουσας δέσµης ανιχνευτή είναι προϊόν συγκεκριµένης µεθοδολογίας: Ανάλογα µε τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά διαστάσεις, λυχνίας ανιχνευτή, καθορίζεται η µεταξύ τους γεωµετρία που περιλαµβάνει και την προσαρµογή των αποστάσεών τους από το αναλυόµενο δείγµα. Μικρή απόσταση της λυχνίας από το δείγµα σηµαίνει µικρή απορρόφηση των εκπεµπόµενων φωτονίων χαµηλής ενέργειας, των οποίων ο ρόλος είναι καθοριστικός όσον αφορά στη διέγερση στοιχείων µε αιχµές απορρόφησης κάτω των 3 kev. Όπως φαίνεται και από την Εικόνα 3 όπου παρουσιάζεται ο συντελεστής διέλευσης της Ag-Lα χαρακτηριστικής ακτινοβολίας συναρτήσει της διαδροµής της

4 στον αέρα, η απόσταση των 53 mm, που είναι και η απόσταση λυχνίας δείγµατος στο φασµατόµετρο της εικόνας 1, Εικόνα 2. Τοµή του µπροστινού άκρου του φασµατοµέτρου που δείχνει τις λεπτοµέρειες της γεωµετρίας διέγερσης ανίχνευσης. (1) θωράκιση χάλυβα, (2) Πρώτος ευθυγραµµιστής διεγείρουσας δέσµης, (3) εύτερος ευθυγραµµιστής διεγείρουσας δέσµης, (4) Τρίτος ευθυγραµµιστής διεγείρουσας δέσµης, (5) Κανονάκι τοποθέτησης ευθυγραµµιστών, (6) Επένδυση Teflon, (7) Επιλογέας φίλτρων, (8) θωράκιση ανιχνευτή, (9) ιάφραγµα ανιχνευτή. επιτρέπει τη διέλευση του 35% της εκπεµπόµενης Ag-Lα χαρακτηριστικής ακτινοβολίας από τη λυχνία. Παρόµοια λογική εφαρµόζεται και στην προσαρµογή της απόστασης δείγµατος ανιχνευτή. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4, όπου παρουσιάζεται ο συντελεστής διέλευσης συναρτήσει της ενέργειας της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας µε παράµετρο τη διαδροµή αέρα, η

5 µοναδική δυνατότητα ανίχνευσης χαρακτηριστικών γραµµών ενέργειας κάτω των 2 kev είναι η προσαρµογή της απόστασης δείγµατος ανιχνευτή κάτω των 19mm. Συντελεστής διέλευσης 0.9 3KeV Μήκος διαδροµής αέρα (cm) Εικόνα 3. Συντελεστής διέλευσης της Ag-Lα χαρακτηριστικής ακτινοβολίας της λυχνίας, συναρτήσει της διαδροµής της στον αέρα. 1.1 Συντελεστής διέλευσης cm 1.5cm 2cm 3cm Ενέργεια (kev) Εικόνα 4. Συντελεστής διέλευσης ακτίνων Χ, συναρτήσει της ενέργειας, µε παράµετρο τη διαδροµή αέρα.

6 Στο φασµατόµετρο της Εικόνας 1, λόγω του ότι ο ανιχνευτής µπορεί να ολισθαίνει πάνω στον άξονά του, υπάρχει δυνατότητα προσαρµογής της απόστασής του µέχρι και 14mm από το δείγµα, που αντιστοιχεί σε συντελεστή διέλευσης ίσο µε 11% για την Kα χαρακτηριστική ακτινοβολία του Al. Έχοντας καθορίσει τις αποστάσεις, το επόµενο βήµα περιλαµβάνει την προσαρµογή των ευθυγραµµιστών. Όσον αφορά στον ευθυγραµµιστή του ανιχνευτή, αφού µελητηθεί πρώτα η απόκρισή του σε διαφορετικές ενέργειες ανιχνευοµένης ακτινοβολίας, για διαφορετικά πάχη διαµέτρους διαφραγµάτων, εντοπίζεται η επιφάνεια του κρυστάλλου για την οποία επιτυγχάνεται η βέλτιστη τιµή του λόγου σήµατος προς υπόβαθρο, σε συνδυασµό πάντα µε τις απαιτήσεις για την εισερχόµενη ροή φωτονίων. Στη συνέχεια, και ανάλογα µε την απόσταση δείγµατος ανιχνευτή επιλέγεται η κατάλληλη διάµετρος πάχος διαφράγµατος (από υλικό κατά προτίµηση ίδιο µε την άνοδο της λυχνίας) η οποία ορίζει γεωµετρικά την επιθυµητή επιφάνεια ακτινοβόλησης του κρυστάλλου. Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να σηµειωθεί, πως το σχήµα του κρυστάλλου του ανιχνευτή είναι επίσης καθοριστικής σηµασίας στην επιλογή διαµέτρου διαφράγµατος, Στην περίπτωση ενός κρυστάλλου επιφανείας 7mm 2, σχήµατος παραλληλεπιπέδου και πάχους 500 µm, η επιφάνειά του είναι διαστάσεων 2.4 mm x 2.8 mm. Σε όρους επιφανείας, ένα υποτιθέµενο διάφραγµα µπορεί να περιορίζει τον κρύσταλλο σε ποσοστό περίπου ίσο µε 65%, χωρίς όµως παράλληλα να περιορίζει και την ακτινοβολία στις αιχµές του κρυστάλλου, τουλάχιστον στη διάσταση των 2.4mm. Εποµένως, η επιλογή διαφράγµατος θα πρέπει να γίνεται µε επιπλέον κριτήριο τον περιορισµό της µικρότερης διάστασης του κρυστάλλου και όχι µόνο της συνολικής επιφάνειας. Λαµβάνοντας υπ όψην τα κριτήρια που προαναφέρθηκαν, η ενεργός επιφάνεια του κρυστάλλου του ανιχνευτή, που χρησιµοποιήθηκε στη διάταξη, περιορίστηκε σε κύκλο διαµέτρου 1.8mm, δηλαδή σε ποσοστό ακτινοβολούµενης επιφάνειας κρυστάλλου ίσο µε 40%. Έχοντας προσδιορίσει επακριβώς τη µέγιστη ακτινοβολούµενη διάσταση επιφάνεια κρυστάλλου στη βέλτιστη απόσταση υπολογίζεται αντίστροφα η ακτινοβολούµενη επιφάνεια του δείγµατος από την οποία µπορεί να ληφθεί η φθορίζουσα ακτινοβολία. Η προσαρµογή των ευθυγραµµιστών της διεγείρουσας δέσµης γίνεται µε τέτοιο τρόπο, ώστε η ακτινοβολούµενη επιφάνεια του δείγµατος να είναι ακριβώς αυτή που φαίνεται από τον ανιχνευτή. Στη γεωµετρία της εικόνας 2 οι ευθυγραµµιστές της διεγείρουσας δέσµης ορίζουν κυκλική ακτινοβολούµενη επιφάνεια ~10mm 2 στην επιφάνεια του δείγµατος, αντίστοιχης διαµέτρου ~3.6 mm. Στη συγκεκριµένη γεωµετρία, η επιλογή των υλικών (χάλυβας, Αg) που παρεµβάλλονται στην πορεία της εξερχόµενης δέσµης εξασφαλίζουν διάδοση µόνο µέσω των ευθυγραµµιστών (χωρίς διάχυση ακτινοβολίας µέσα από τα υλικά) και υψηλή καθαρότητα της διεγείρουσας δέσµης αφού ευθυγραµµιστές και άνοδος αποτελούνται από το ίδιο υλικό. Επιπλέον, χαρακτηριστικές γραµµές του χάλυβα που πιθανόν να διεγείρονται από τη σκεδαζόµενη ακτινοβολία της λυχνίας στο

7 εσωτερικό του χαλύβδινου κανονιού θα οδηγηθούν στο εξωτερικό του µόνο κατόπιν πολλαπλών σκεδάσεων. Τέλος, η θωράκιση και ο ευθυγραµµιστής του ανιχνευτή αποκλείουν εντελώς την ανίχνευση σκεδαζόµενης ακτινοβολίας από τα άκρα του κανονιού ως αποτέλεσµα απλής σκέδασης. 3. Συνδεσµολογία Πρωτόκολλο λειτουργίας 3α. Συνδεσµολογία Για τη συνδεσµολογία της λυχνίας µε το τροφοδοτικό κουτί ελέγχου πραγµατοποιούµε τα εξής βήµατα: 1. Πιέζουµε το διακόπτη παροχής ρεύµατος, που βρίσκεται στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού, στη θέση Πιέζουµε το διακόπτη µε την ένδειξη ENABLE, που βρίσκεται στη µπροστινή πλευρά του κουτιού ελέγχου της λυχνίας στη θέση Γυρνάµε τα ποτενσιόµετρα τάσης και ρεύµατος του τροφοδοτικού εντελώς, και αντίθετα µε τη φορά των δεικτών του ρολογιού. 4. Συνδέουµε το τροφοδοτικό µε τη λυχνία ακτίνων Χ τοποθετώντας το θωρακισµένο καλώδιο 15-PIN-D στις αντίστοιχες υποδοχές. 5. Συνδέουµε τη σκανδάλη ελέγχου στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού και στη θέση που προβλέπεται ως INTERLOCK. 6. Συνδέουµε το κουτί ελέγχου πίεσης θερµοκρασίας (κατασκευή TEI) στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού της λυχνίας τοποθετώντας την απόληξη 9-PIN-D του καλωδίου στην κατάλληλη υποδοχή του τροφοδοτικού (MONITOR). 7. Συνδέουµε το καλώδιο τροφοδοσίας δικτύου στην υποδοχή του τροφοδοτικού της λυχνίας και το άλλο του άκρο σε πρίζα του δικτύου (220V). Για τη συνδεσµολογία του ανιχνευτή τροφοδοτικού κάρτας συλλογής δεδοµένων πραγµατοποιούµε τα εξής βήµατα: 1. Πιέζουµε το διακόπτη παροχής ρεύµατος, που βρίσκεται στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού PX2CR, στη θέση Συνδέουµε τον ανιχνευτή µε το τροφοδοτικό PX2CR χρησιµοποιώντας το χοντρό γκρι καλώδιο τροφοδοσίας τάσης. (Άκρη τύπου BNC στον ανιχνευτή, άκρη 9-PIN-D στην µπροστινή υποδοχή του PX2CR (XR-100T/CR Power).

8 3. Συνδέουµε την έξοδο OUT του ανιχνευτή µε την είσοδο AMP IN του PX2CR µε καλώδιο τύπου BNC-BNC. 4. Συνδέουµε την έξοδο AMP OUT του PX2CR µε την είσοδο INPUT της κάρτας συλλογής δεδοµένων ΜCA8000A µε καλώδιο τύπου BNC-Lemo. 5. Συνδέουµε τη σειριακή θύρα εισόδου - εξόδου IO Serial Port της ΜCA8000A µε τη σειριακή θύρα του φορητού υπολογιστή. 6. Συνδέουµε το καλώδιο τροφοδοσίας δικτύου στην υποδοχή του τροφοδοτικού PX2CR του ανιχνευτή και το άλλο του άκρο σε πρίζα του δικτύου (220V). 7. Τοποθετούµε το άκρο του καλωδίου του µετασχηµατιστή παροχής τάσης (9V) της ΜCA8000A στην κατάλληλη υποδοχή της ΜCA8000A ενώ το µετασχηµατιστή σε πρίζα του δικτύου (220V). Το διάγραµµα συνδεσµολογίας ανιχνευτή τροφοδοτικού κάρτας συλλογής δεδοµένων εικονίζεται στην Εικόνα 5. Εικόνα 5. ιάγραµµα συνδεσµολογίας ανιχνευτή τροφοδοτικού κάρτας συλλογής δεδοµένων

9 ECLIPSE II POWER DE15 AUDIO ON/OFF MONITOR DE9 PRESSURE / TEMPERATURE INDICATOR INTERLOCK CONTROL TRIGGER IEC 320 Εικόνα 6. ιάγραµµα συνδεσµολογίας τροφοδοτικού λυχνίας λυχνίας µονάδων ελέγχου. Οι ηλεκτρονικές µονάδες µπορούν τώρα να τροφοδοτηθούν και το σύστηµα να µπει σε λειτουργία. 3β. Λειτουργία: 1. Τροφοδοτούµε µε ρεύµα τον ανεµιστήρα! Εάν ο ανεµιστήρας δεν λειτουργεί δεν τροφοδοτούµε τη λυχνία! 2. Πιέζουµε το διακόπτη στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού του ανιχνευτή PX2CR που θέτει σε λειτουργία το τροφοδοτικό και παρέχει την απαιτούµενη τάση στον ανιχνευτή. Μετά την πάροδο χρόνου 2 min η τάση στον ανιχνευτή έχει σταθεροποιηθεί. 3. Τοποθετούµε το διακόπτη AUDIO, που βρίσκεται στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού της λυχνίας στη θέση ΟΝ. 4. Τοποθετούµε το διακόπτη στη σκανδάλη ελέγχου στη θέση OFF. 5. Πιέζουµε το διακόπτη παροχής ρεύµατος, που βρίσκεται στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού της λυχνίας. Το κίτρινο φωτάκι στο µπροστινό µέρος µε την ένδειξη Fault ανάβει για µερικά δευτερόλεπτα και ύστερα σβήνει.

10 6. Πιέζουµε και κρατάµε πατηµένο το διακόπτη PRESET ενώ στη συνέχεια γυρίζουµε τα ποτεντιόµετρα (πρώτα της τάσης και µετά του ρεύµατος) µε παράλληλο τρόπο έως ότου οι ενδείξεις στις αντίστοιχες οθόνες υγρών κρυστάλλων φτάσουν τα 10 kv, 5 µα. Περιµένουµε για 30 sec και συνεχίζουµε να αυξάνουµε αργά την τάση έως ότου φτάσουµε το µέγιστο δυναµικό λειτουργίας της λυχνίας ίσο µε 30kV. Η ένδειξη του ρεύµατος θα πρέπει να προσαρµοστεί µετά την πρώτη δοκιµαστική µέτρηση του αναλυόµενου δείγµατος και µε τέτοιο τρόπο ώστε ο ολικός ρυθµός γεγονότων στον ανιχνευτή να µην ξεπερνά τα Με τη σκανδάλη ελέγχου συνδεδεµένη στη θέση INTERLOCK και στη θέση OFF πιέζουµε το διακόπτη µε την ένδειξη ENABLE, που βρίσκεται στη µπροστινή πλευρά του τροφοδοτικού της λυχνίας στη θέση Ι. Ο έλεγχος βρίσκεται τώρα στη σκανδάλη. 8. Πιέζουµε τη σκανδάλη ελέγχου στη θέση ON. Η λυχνία εκπέµπει τώρα ακτίνες Χ. Το κόκκινο φωτάκι στο µπροστινό µέρος του τροφοδοτικού της λυχνίας αναβοσβήνει ενώ παράλληλα ακούγεται ηχητικό σήµα. ΠΡΟΣΟΧΗ! Το ηχητικό σήµα δεν θα ακουστεί εάν ο διακόπτης AUDIO δεν είναι ενεργοποιηµένος 9. Τρέχουµε το λογισµικό συλλογής δεδοµένων στον υπολογιστή (PMCA.exe) και ενεργοποιούµε την κάρτα συλλογής δεδοµένων, είτε µέσω του υπολογιστή, είτε πιέζοντας το κόκκινο κουµπί της MCA8000A. Η συλλογή δεδοµένων θα πρέπει να αρχίσει. Εάν για οποιοδήποτε λόγο το σύστηµα αποτύχει στη λειτουργία του, συµβουλευόµαστε τα εγχειρίδια λειτουργίας των επί µέρους τµηµάτων του. Με το πέρας των µετρήσεων: 1. Πιέζουµε τη σκανδάλη ελέγχου στη θέση OFF. 2. Πιέζουµε το διακόπτη µε την ένδειξη ENABLE, που βρίσκεται στη µπροστινή πλευρά του τροφοδοτικού της λυχνίας στη θέση Πιέζουµε το διακόπτη µε την ένδειξη PRESET και γυρνάµε τα ποτενσιόµετρα τάσης και ρεύµατος του τροφοδοτικού παράλληλα και αντίθετα µε τη φορά των δεικτών του ρολογιού έως ότου φτάσουµε ενδείξεις τάσης και ρεύµατος, 8kV, 5µΑ. Στη συνέχεια µηδενίζουµε το ρεύµα και ακολούθως την τάση. 4. Πιέζουµε το διακόπτη παροχής ρεύµατος, που βρίσκεται στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού, της λυχνίας στη θέση Απενεργοποιούµε την κάρτα συλλογής δεδοµένων είτε µέσω λογισµικού, είτε πιέζοντας το κόκκινο κουµπί της. 6. Πιέζουµε το διακόπτη στο πίσω µέρος του τροφοδοτικού του ανιχνευτή PX2CR στη θέση Αποσυνδέουµε το σύστηµα τοποθετούµε τα τµήµατά του στη θήκη τους.

11 4. Μετρήσεις βελτιστοποίηση πειραµατικών παραµέτρων. 4α. Ενεργειακή βαθµονόµηση ανιχνευτή Βαθµονόµηση διακριτικής ικανότητας Για την ενεργειακή βαθµονόµηση του ανιχνευτή µετρήθηκαν καθαροί µονοατοµικοί στόχοι στο εύρος ατοµικών αριθµών από και καταγράφησαν οι θέσεις των κεντροειδών των κορυφών. Η εξάρτηση της ενέργειας των χαρακτηριστικών ακτίνων που ανιχνεύτηκαν, συναρτήσει της θέσης των κεντροειδών των φωτοκορυφών (κανάλια της κάρτας συλλογής δεδοµένων) αναµένεται να ικανοποιεί µια πλήρως γραµµική σχέση. Η γραµµική συµπεριφορά του ανιχνευτικού συστήµατος γίνεται άµεσα προφανής από την Εικόνα 7α. Από τα ίδια φάσµατα εξήχθησαν και οι τιµές της διακριτικής ικανότητας του ανιχνευτή συναρτήσει της ενέργειας της ανιχνευόµενης ακτινοβολίας οι οποίες εικονίζονται αντίστοιχα στην Εικόνα 7β Gain= / ev/channel Zero= /-9.76 ev Ενέργεια (KeV) Κανάλι

12 (FWHM) 2 7x 6x 5x 4x (FWHM) 2 =(NOISE) (FANO)Energy NOISE=134.8 FANO= x 2x Ενέργεια (ev) Εικόνα 7. α) Ενεργειακή βαθµονόµηση του ανιχνευτή Si-PIN β) Γραµµική προσαρµογή διακριτικής ικανότητας (FWHM) σαν συνάρτηση της ενέργειας. 4β. Έλεγχος ποιότητας διεγείρουσας δέσµης Για τον έλεγχο της καθαρότητας της διεγείρουσας δέσµης καταγράφησαν φάσµατα υπερκαθαρών σκεδαστών (Perspex, Quartz) τα οποία και εικονίζονται στις Εικόνες 8α και 8β αντίστοιχα. Όπως παρατηρείται από τις Εικόνες 8α, 8β η διεγείρουσα δέσµη είναι απαλλαγµένη από χαρακτηριστικές γραµµές υποβάθρου και συντίθεται µόνον από τις χαρακτηριστικές γραµµές της ανόδου Ag όπως επίσης και από τη συνεχή συνιστώσα ακτινοβολίας πέδησης. Μοναδική εξαίρεση η γραµµή φθορισµού του Si-Κ α (Εικόνα 8β) η οποία προκαλείται από τη διέγερση του Si στο SiO 2. 4γ. Βελτιστοποίηση συνθηκών λειτουργίας Η χρήση του φίλτρου Ένα σύνηθες φαινόµενο σε φάσµατα φθορισµού ακτίνων Χ µετάλλων που λαµβάνονται µε χρήση πολυχρωµατικής ακτινοβολίας είναι η εµφάνιση γραµµών. Οι γραµµές αυτές, που εµφανίζονται µε τυχαίο τρόπο, επικαλύπτονται αρκετές φορές µε άλλες χαρακτηριστικές γραµµές στοιχείων του µετάλλου δυσχεραίνοντας έτσι όχι µόνον τον ποσοτικό αλλά και ποιοτικό

13 χαρακτηρισµό του κράµατος. εδοµένου ότι ο κύριος σκοπός του προγράµµατος «Αρχιµήδης» είναι ο χαρακτηρισµός στρωµάτων προϊόντων διάβρωσης στην επιφάνεια µπρούτζινων αντικειµένων µετρήθηκαν αντιπροσωπευτικά δείγµατα κραµάτων Cu, τα πρότυπα δείγµατα BCR. Ag-L Perspex 30kV 20µΑ Αριθµός γεγονότων Ag-K scattered Ενέργεια (kev) Αριθµός γεγονότων Si-K Ag-L SiO2 30kV 20µΑ Ag-K scattered Ενέργεια (kev) Εικόνα 8. Ενεργειακή κατανοµή της διεγείρουσας δέσµης στα 30 kv, 20 µα µετά από σκέδασή της σε σκεδαστές α) Perspex β) SiO 2

14 Cu-K β Οι µετρήσεις αυτές έγιναν για διαφορετικές συνθήκες διέγερσης, µε και χωρίς φίλτρο, µε τα αντίστοιχα φάσµατα να παρουσιάζονται στις Εικόνες 9α 9ε. Γεγονότα 10 5 α) Ag-L+Ar-K α + Sn-L Cu-K β Cu-esc Ni-K α Pb-L α Χωρίς φίλτρο 2Al Pb-L β Γεγονότα 10 5 β) Ag-L+Ar-K α + Sn-L Cu-esc Ni-K α Pb-L α Χωρίς φίλτρο 1Al+1Ti Pb-L β Ενέργεια Ενέργεια Γεγονότα 10 5 γ) Ag-L+Ar-K α + Sn-L Cu-esc Ni-K α Cu-K β Pb-L α Χωρίς φίλτρο 2Al+1Ti Pb-L β Cu-K β Γεγονότα 10 5 δ) Ag-L+Ar-K α + Sn-L Cu-esc Ni-K α Cu-K β Pb-L α Χωρίς φίλτρο 2Al+2Ti Pb-L β Ενέργεια Ενέργεια Γεγονότα 10 5 ε) Ag-L+Ar-K α + Sn-L Cu-esc Νi-K α Pb-L α Pb-L β Cu BCRD Ενέργεια Εικόνα 9. Συγκριτικά φάσµατα του προτύπου κράµατος Cu BCR-D στα οποία φαίνεται η επίδραση διαφόρων συνδυασµών φίλτρων στα µετρούµενα φάσµατα φθορισµού. Τα φάσµατα έχουν κανονικοποιηθεί στην ίδια ένταση της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας. α) Φίλτρο 2Al, β) Φίλτρο Al, Ti, γ) Φίλτρο 2Al, Ti, δ) Φίλτρο 2Al, 2Ti, ε) Χωρίς φίλτρο, BCR-D, παχύς στόχος Cu.

15 Όπως φαίνεται από την εικόνα 9α η απευθείας διέγερση χωρίς τη χρήση φίλτρου προκαλεί έντονες κορυφές που µαζί µε τη σκεδαζόµενη Ag-L χαρακτηριστική ακτινοβολία δυσχεραίνουν κυρίως την ανίχνευση των L χαρακτηριστικών γραµµών του Sn, στοιχείου που ενδιαφέρει άµεσα στην περίπτωση κραµάτων Cu. Με διαδοχικές δοκιµές βρέθηκε, πως ο συνδυασµός διπλού ελάσµατος Al πάχους 2.7 mg/cm 2 και διπλού ελάσµατος Ti πάχους 2.9 mg/cm 2 εξαλείφει σηµαντικό µέρος του προβλήµατος όπως φαίνεται και στην εικόνα 9δ µε τις κορυφές να προέρχονται κυρίως από τον Cu όπως διαπιστώνεται και από το συγκριτικό φάσµα 9ε. Από το ίδιο φάσµα προκύπτει, πως η κορυφή που εντοπίζεται στην ενέργεια της χαρακτηριστικής γραµµής του Ni (Ni-Kα) προέρχεται πράγµατι από Ni στο κράµα και δεν πρόκειται για τεχνητή κορυφή ή κορυφή. Η χρήση του φίλτρου προκαλεί ελάττωση στο ρυθµό γεγονότων που λαµβάνονται από το δείγµα χωρίς όµως να είναι περιοριστική όπως φαίνεται και από την εικόνα 10α. Σταθερές (cps/µα/µg/cm 2 ) α) Λεπτοί στόχοι Cl K Ca Cr V Fe Co Ni Ga Ge Se Br Ατοµικός αριθµός Ζ Χωρίς φίλτρο Φίλτρο 2Al+2Ti Rb Sr Y Απόδοση φθορισµού (cps/µα) Ti Χωρίς φίλτρο Φίλτρο 2Al+2Ti Cr Fe β )Παχείς στόχοι Ni Ατοµικός αριθµός Ζ Cu Zn Εικόνα 10. α) Σταθερές ευαισθησίας λεπτών στόχων εκφρασµένες σε cps/µα/µg/cm 2 β) Αποδόσεις φθορισµού παχέων στόχων εκφρασµένες σε cps/µα. Στην εικόνα αυτή παρουσιάζονται οι σταθερές ευαισθησίας του συστήµατος που προέκυψαν από µετρήσεις λεπτών προτύπων στόχων (Micromatter) οι οποίοι βαθµονοµήθηκαν πρωτίστως για το πάχος τους στη διάταξη δευτερογενούς στόχου του ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος». Από το σχήµα προκύπτει, πως η ελάττωση στην ένταση των Κα χαρακτηριστικών γραµµών των στοιχείων µε ατοµικό αριθµό >22 είναι λιγότερη από 60%, γεγονός που µπορεί να αντισταθµιστεί άµεσα µε διπλασιασµό του ρεύµατος λειτουργίας. Παρόµοια συµπεράσµατα µπορούν να εξαχθούν και από την εικόνα 9β στην οποία εικονίζονται αντίστοιχες τιµές για παχείς στόχους εκφρασµένες σε cps/µα και για τις Kα πάντα χαρακτηριστικές γραµµές. Στην πράξη, η προσαρµογή του ρεύµατος λειτουργίας στα µα αρκεί για να δώσει ρυθµούς γεγονότων

16 της τάξης των cps στον ανιχνευτή. Τέλος, αριθµητικές τιµές των ρυθµών γεγονότων για τους λεπτούς και παχείς στόχους που µετρήθηκαν αναγράφονται στον πίνακα που ακολουθεί. ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Ρυθµοί γεγονότων Κα και Lα χαρακτηριστικών ακτίνων Χ για τους προτύπους λεπτούς και παχείς στόχους που µετρήθηκαν. Λεπτοί Παχείς cps/µα cps/µα Πάχος στόχοι στόχοι Χωρίς φίλτρο 2Al + 2Ti 16 S x Cl x Cl x K x Ca x Ti x V x Cr x x 39.0, Fe x Co x Ni x Cu x Zn x Ga x Ge x Se x Br x Rb x Sr x Y x Zr x Ag x Sn x Au x Pb x * Για τα στοιχεία µε ατοµικούς αριθµούς > 46 οι ρυθµοί γεγονότων αναφέρονται στις Lα χαρακτηριστικές τους γραµµές.

17 5. Ποσοτική ανάλυση κραµάτων Cu Για την εξαγωγή ποσοτικών αποτελεσµάτων από τα µετρούµενα φάσµατα εφαρµόζεται η βασική σχέση ποσοτικοποίησης για πολυχρωµατική ακτινοβολία υποθέτοντας πάντα πως έχουµε µια ικανοποιητική περιγραφή της φασµατικής κατανοµής της λυχνίας. Για την περιγραφή της φασµατικής κατανοµής της λυχνίας εφαρµόστηκε τροποποιηµένος αλγόριθµος του Ι.Π.Φ έτσι ώστε να συµπεριληφθεί σ αυτόν η γεωµετρία διέλευσης και τα λοιπά τεχνικά χαρακτηριστικά της λυχνίας. Στην τελική περιγραφή χρησιµοποιήθηκε τιµή παραθύρου Be 2.5 µm (αντί της ονοµαστικής των 4µm) για το οποίο βρέθηκε πως οι γεωµετρικοί παράγοντες µεταξύ χαρακτηριστικών ακτίνων µικρής και µεγάλης ενέργειας παρουσιάζουν τις µικρότερες αποκλίσεις. Οι γεωµετρικοί παράγοντες για κάθε στοιχείο θα πρέπει ιδανικά να προκύπτουν ίσοι και υπολογίζονται από τους ρυθµούς γεγονότων των λεπτών και παχέων προτύπων στόχων του πίνακα 1. εδοµένου ότι οι γεωµετρικοί παράγοντες αναφέρονται µόνον στα γεωµετρικά χαρακτηριστικά της διάταξης θα πρέπει επίσης να είναι ανεξάρτητοι και των συνθηκών διέγερσης. Οι γεωµετρικοί παράγοντες όπως εξήχθησαν από τις µετρήσεις των προτύπων στόχων αναγράφονται αναλυτικά στον Πίνακα 2. Όπως παρατηρείται από τον Πίνακα 2 η διασπορά των τιµών είναι περίπου 7% για απευθείας διέγερση χωρίς τη χρήση του φίλτρου και 13% για τις τιµές που προέκυψαν µε τη χρήση του φίλτρου, µε τη διαφορά να εµφανίζεται κυρίως λόγω της απόκλισης της τιµής του Sn. Σε µια πρώτη προσπάθεια εξαγωγής ποσοτικών αποτελεσµάτων ο αλγόριθµος εφαρµόστηκε στην εξαγωγή των συγκεντρώσεων των προτύπων δειγµάτων BCR-A και BCR-D οι οποίες αναγράφονται µαζί µε τις ονοµαστικές τους τιµές στον Πίνακα 3. ΠΙΝΑΚΑΣ 2. Οι γεωµετρικοί παράγοντες όπως εξήχθησαν από τις µετρήσεις των προτύπων στόχων Φίλτρο Ζ Στόχοι Χωρίς φίλτρο 2Al+2Ti Λεπτοί Παχείς Πάχος G x 10-7 (λεπτοί) G x 10-7 (παχείς) G x 10-7 (µέσοι όροι) G x 10-7 (παχείς) 16 S x Cl x 29.1, K x Ca x Ti x

18 23 V x Cr x x 39.0, Fe x Co x Ni x Cu x Zn x Ga x Ge x Se x Br x Rb x Sr x Y x Zr x Ag x Sn x Au x Pb x ± ± ± ± 0.4 ΠΙΝΑΚΑΣ 2. Τιµές συγκεντρώσεων των προτύπων κραµάτων Cu BCR-A και BCR-D όπως προσδιορίστηκαν από τις µετρήσεις του φασµατοµέτρου και από τον υπό εξέλιξη αλγόριθµο. BCR-A BCR-D Στοιχείο Αναφορά XRF TEI Αναφορά XRF TEI As ± ± Pb 7.9 ± ± ± ± 0.5 Sn 7.16 ± ± ± ± 0.38 Zn 6.02 ± ± ± Cu ± ± 4.0 Συµπερασµατικά: Για τη µέτρηση κραµάτων Cu θα πρέπει απαραιτήτως να γίνεται χρήση του φίλτρου προκειµένου να εξαφανίζονται οι παρασιτικές γραµµές. Η τάση λειτουργίας της λυχνίας θα πρέπει να προσαρµόζεται στα 30 kv ενώ το ρεύµα δεν θα πρέπει να υπερβαίνει τα 30µΑ, τιµή η οποία για τις περιπτώσεις µετάλλων δίνει συνολική ροή φθορισµού που υπερκαλύπτει τον

19 αποδεκτό ρυθµό γεγονότων στον ανιχνευτή. Οι µετρήσεις των προτύπων δειγµάτων έδειξαν πως η ευαισθησία της διάταξης στην ανίχνευση Sn είναι ικανοποιητική αφού για χρόνο µέτρησης των 300sec και ρεύµα λειτουργίας 15µΑ τα ελάχιστα ανιχνεύσιµα όρια είναι κάτω του 2%. Για τον προσδιορισµό As κάτω του 1% παρουσία Pb απαιτούνται µεγαλύτεροι χρόνοι µέτρησης ενώ ο προσδιορισµός θα πρέπει να γίνεται µέσω των γραµµών του Pb. Σε περίπτωση όπου είναι επιθυµητή η µέτρηση στοιχείων χαµηλού ατοµικού αριθµού (π.χ Al, Si) η µέτρηση θα πρέπει να γίνεται χωρίς την παρεµβολή του φίλτρου. Τα ποσοτικά αποτελέσµατα που προκύπτουν έως τώρα είναι σχετικά ικανοποιητικά, απαιτείται όµως περισσότερη διερεύνηση στην κατεύθυνση αυτή τόσο σε θεωρητικό επίπεδο, όσο και σε πειραµατικό (περαιτέρω µετρήσεις προτύπων, µέτρηση της φασµατικής κατανοµής της λυχνίας µε ανιχνευτή CdTe.) ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Πρώτες εµπειρίες επιτοπίων αναλύσεων υπαίθριων µπρούτζινων µνηµείων µε το σύστηµα XRF του ΤΕΙ. - Το άγαλµα του Θησέα. Εικόνα 1. Το άγαλµα του Θησέα στην πλατεία Βικτορίας µε τοποθετηµένες τις σκαλωσιές.

20 Εικόνα 2. Η πρώτη εκδοχή της διάταξης XRF (ανοιχτή γεωµετρία). Αριθµός γεγονότων 10 5 Cl-K α Αg-L Ca-K α Cu-esc Cu-K β Στήθος 15kV, 5µA, 240sec Ενέργεια (kev) Εικόνα 3. Φάσµα από το δεξιό στήθος της ξαπλωµένης µορφής. Λεπτό κόκκινο καφέ στρώµα πάνω στο µέταλλο, αποτέλεσµα όξινης προσβολής περιττωµάτων πουλιών. ιακρίνονται κορυφές Cl, Ca, του Cu και χαρακτηριστικές γραµµές Cu χωρίς εµφανή παρουσία Zn ή Pb.

21 10 5 Αριθµός γεγονότων Μάγουλο 20 kv, 5µΑ, 300sec Φίλτρο Al 5.3mg/cm 2 PU gate ON Ca-K α Cu-esc Cu-K β Ενέργεια (kev) Εικόνα 4. Φάσµα από το δεξιό µάγουλο της ξαπλωµένης µορφής κοντά στη γνάθο. ιακρίνονται κορυφές Ca, του Cu και χαρακτηριστικές γραµµές Cu χωρίς εµφανή παρουσία Zn ή Pb. Αριθµός γεγονότων 10 5 Μάγουλο 20 kv, 5µΑ, 300 sec PU gate ON Αg-L Cl-K α Ca-K α Cu-esc+Fe-K α Fe-K β Cu-K β Ενέργεια (kev) Εικόνα 5. Φάσµα από το δεξιό µάγουλο της ξαπλωµένης µορφής κοντά στη γνάθο. ιακρίνονται κορυφές Cl, Ca, του Cu, Fe και χαρακτηριστικές γραµµές Cu χωρίς εµφανή παρουσία Zn ή Pb. H παρουσία Fe δεν είναι ξακάθαρο εάν προέρχεται από το δείγµα ή από τον ευθυγραµµιστή της λυχνίας.

22 Αριθµός γεγονότων 10 5 Cl-K α K-K α Ca-K α Cr-K α Cu-esc + Fe-K α Zn-K α Cu-K β Zn-K β Μπράτσο 20kV, 5µΑ, 300sec Φίλτρο Al 5.3mg/cm 2 PU gate ON Pb-L α Εικόνα 6. Φάσµα από το µπράτσο. ιακρίνονται κορυφές Cl, K, Ca, προφανώς από ρύπους και χαρακτηριστικές γραµµές Cu µε εµφανή παρουσία Zn και Pb. Η παρουσία κορυφής Cr δηµιουργεί ερωτηµατικά. Θα µπορούσε να αποδοθεί σε κορυφή υπάρχει όµως και η οµόλογή της Cr-K β. Εάν αποδοθεί στον ευθυγραµµιστή θα έπρεπε να υπάρχει και αυξηµένη παρουσία Fe που όµως δεν παρατηρείται. Θα πρέπει συνεπώς να υποτεθεί πως βρίσκεται στο κράµα. Αριθµός γεγονότων 10 5 Χέρι 20kV, 5µΑ, 300sec Φίλτρο Al 5.3mg/cm 2 PU gate ON Cl-K α K-K α Ca-K α Cr-K α Cu-esc + Fe-K α Fe-K β Zn-K α Zn-K β Cu-K β Pb-L α Ενέργεια (kev) Εικόνα 6. Φάσµα (S3_f) από το πράσινο µαύρο στρώµα κάτω από τον καρπό της ξαπλωµένης µορφής. ιακρίνονται κορυφές Cl, K, Ca, προφανώς από ρύπους και χαρακτηριστικές γραµµές Cu µε εµφανή παρουσία Zn και Pb. Υπάρχει αυξηµένη παρουσία Fe.

23 Cu-K β Αριθµός γεγονότων 10 5 Ca-K α Cu-esc + Fe-K α Οπλή 20kV, 5µΑ, 300sec Φίλτρο Al 5.3mg/cm 2 PU gate ON Ενέργεια (kev) Εικόνα 6. Φάσµα (S10_f) από το µπροστινό µέρος του δεξιού ποδιού του κενταύρου πάνω από την οπλή και πολύ κοντά στην κλείδωση. Εκπλυµένη πατίνα, σχεδόν καθαρή µεταλλική επιφάνεια. ιακρίνονται κορυφές Ca, και χαρακτηριστικές γραµµές Cu χωρίς παρουσία Zn και Pb. Υπάρχει αυξηµένη παρουσία Fe. Το ερωτηµατικό για το Fe παραµένει. Αριθµός γεγονότων 10 5 Κλείδωση 20kV, 5µΑ, 215sec Φίλτρο Al 5.3mg/cm 2 PU gate ON Cu-esc + Fe-K α Zn-K α Zn-K β Cu-K β Ενέργεια (kev) Εικόνα 7α) Φάσµα (S11_f) από την κλείδωση του πίσω δεξιού ποδιού του κενταύρου από την έξω πλευρά Μαύρη πατίνα. Έχει προηγηθεί καθαρισµός. ιακρίνονται κορυφές Cu και Zn. Pb δεν παρατηρείται πιθανόν λόγω µειωµένης στατιστικής.

24 Αριθµός γεγονότων 10 5 Cl-K α Ca-K α Zn-K α Cu-K β Zn-K β Κλείδωση 20kV, 5µΑ, 254sec PU gate ON Ενέργεια (kev) Εικόνα 7β) Φάσµα (S11_f) από την κλείδωση του πίσω δεξιού ποδιού του κενταύρου από την έξω πλευρά Μαύρη πατίνα. Έχει προηγηθεί καθαρισµός. ιακρίνονται κορυφές Cl και Ca χωρίς τη χρήση του φίλτρου. Συµπερασµατικά: Tα κύρια προϊόντα διάβρωσης περιέχουν Cl, Κ, και Ca ενώ S δεν παρατηρήθηκε. Το άγαλµα φαίνεται να αποτελείται από δύο διαφορετικά κράµατα το ένα µε υψηλή καθαρότητα σε Cu (µπρούτζος) ενώ το άλλο µε παρουσία υψηλών ποσοστών Zn αλλά και Pb (ορείχαλκος). Η παρουσία άλλων στοιχείων, Cr, Fe δεν είναι ξεκάθαρο εάν µπορούν να αποδοθούν στο κράµα λόγω εντόνων γραµµών (χρησιµοποιήθηκε ανοιχτή γεωµετρία) και λόγω χρήσης προχείρου ευθυγραµµιστή από ανοξείδωτο.