Σεμινάριο Φυσικής. NRA και PIGE: Πυρηνική φασματοσκοπία για την μελέτη του προφίλ ελαφρών πυρήνων. Πασπαλάκη Γαρυφαλλιά Υπεύθυνος καθ. :Μ.

Transcript

1 Σεμινάριο Φυσικής NRA και PIGE: Πυρηνική φασματοσκοπία για την μελέτη του προφίλ ελαφρών πυρήνων Πασπαλάκη Γαρυφαλλιά Υπεύθυνος καθ. :Μ. Κόκορης

2 Περιεχόμενα I. Ion Beam Analysis II. III. IV. μέθοδοι NRA-PIGE εξοπλισμός διατάξεις εφαρμογές - έρευνα V. βιβλιογραφία

3 Ion Beam Analysis Μια σειρά τεχνικών για την ανάλυση της σύστασης των υλικών Βασίζεται στην εκπομπή χαρακτηριστικής ακτινοβολίας η οποία προκαλείται όταν επιταχυνόμενα σωματίδια βομβαρδίζουν το υλικό του δείγματος /στόχου. Χρησιμοποιεί δέσμη ιόντων της τάξεως του MeV για να προσδιορίσει την σύσταση καθώς και το στοιχειακό προφίλ του βάθους στο επιφανειακό στρώμα των στερεών.

4 Ion Beam analysis X-rays (PIXE), γ-rays(pige), προϊόντα πυρηνικών αντιδράσεων(nra), ελαστικά σκεδαζόμενα ιόντα (ERDA).

5 ION BEAM ANALYSIS X ray (PIXE) a Elastically scattered particle (RBS) gamma ray (PIGE)

6 NRA-PIGE Μετράνε την χωρητικότητα και την κατανομή του βάθους από τη επιφάνεια μέχρι κάποια μικρόμετρα. Δεν μας παρέχουν καμία πληροφορία για την χημική σύσταση ή την μικροσκοπική δομή. Ελάχιστα καταστροφικές τεχνικές... σε υψηλή και συνεχή ένταση βομβαρδισμού έχουμε φθορές.

7 NRA( Nuclear Reaction Analysis) Γενικά χαρακτηριστικά Αποτελεί γενική κατηγορία τεχνικής Πυρηνική αντίδραση μεταξύ πυρήνα και ιόντων της δέσμης Ανίχνευση στο φάσμα τα προϊόντα της αντίδρασης (ενεργειακά σωματίδια)

8 Βασική αρχή Η κινητική ενέργεια δεν διατηρείται στις πυρηνικές αντιδράσεις και αυτό εκφράζεται από το Qvalue Qvalue >0 τότε μπορεί να έχουμε υψηλής ενέργειας φορτισμένα σωματίδια τα οποία θα εμφανίζονται στο φάσμα Η ανίχνευση αυτών των φορτισμένων σωματιδίων μπορεί να παρέχει πληροφορίες για την χωρητικότητα και το χωρικό προφίλ ελαφρών πυρήνων Γνωστές πυρηνικές αντιδράσεις (p,a),(a,p),(d,p),(d,a) Η ευκρίνεια του χωρικού προφίλ είναι της τάξης των νανομέτρων

9 Η τεχνική NRA έχει κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά που αφορούν Υψηλή εκλεκτικότητα για τον προσδιορισμό συγκεκριμένων ελαφριών νουκλεονίων Υψηλή ευαισθησία για πολλά νουκλεόνια που είναι αδύνατο να προσδιοριστούν με άλλες μεθόδους Είναι μια μη καταστροφική τεχνική για τον προσδιορισμό του χωρικού προφίλ των νουκλεονίων Μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης και στην ανάλυση περισσότερου από ένα στοιχείου την ίδια στιγμή στο επιφανειακό στρώμα κάποιου υλικού λόγω αυτών των χαρακτηριστικών η τεχνική NRA είναι μια βασική IBA τεχνική!!

10 PIGE (Particle Induced γ-ray Emission) Γενικά χαρακτηριστικά υποκατηγορία της μεθόδου NRA όταν χαρακτηριστικής ενέργειας ακτίνες γ ανιχνεύονται ως προϊόντα της αντίδρασης χρησιμοποιείται όταν η χημική σύσταση του δείγματος είναι ποιοτικά γνωστή σωματίδιο πέφτει πάνω σε πυρήνα. δημιουργώντας ένα σύνθετο διεργεμένο πυρήνα ο οποίος αποδιεγείρεται με εκπομπή ακτίνας γ η ενέργεια ακτίνας γ αποτελεί αποτύπωση του πυρήνα

11 Με την χαρακτηριστική ακτίνα γ μπορεί προσδιοριστεί η συγκέντρωση ενός συγκεκριμένου ισοτόπου, να γίνει έλεγχος για αλλαγές στην κατανομή του προφίλ του βάθους. λίγα ισότοπα που είναι ελαφρύτερα από το ασβέστιο : 1 H, 13 C, 15 N, 18 O, 19 F, 22 Ne, 23 Na, 24 Mg, 26 Mg, 27 Al, 29 Si, 30 Si, και 32 S Η ακριβέστερη από τις τεχνικές IBA για τον προσδιορισμό του προφίλ του βάθους!!!

12 Προφίλ βάθους με μέθοδο NRA Η κλίμακα του βάθους υπολογίζεται προσδιορίζοντας την απώλεια ενέργειας των σωματιδίων που παράγονται κατά την αντίδραση. φάσμα NRA προσπίπτουσα ενέργεια: Ε=1702,7 KeV γωνία δέσμης-ανιχνευτή 170 ο αντίστοιχες κορυφές: 14 Ν, 28 Si

13 Προφίλ Βάθους χρησιμοποιώντας την PIGE Τα φωτόνια δεν μπορούν να παρέχουν πληροφορία απευθείας!! Όμως όταν έχουμε ισχυρούς και απότομους συντονισμούς (κορυφές) τα φωτόνια προέρχονται από μια στενή περιοχή μέσα στον στόχο το οποίο αντιστοιχεί σε απώλεια ενέργειας της περιοχής συντονισμού. Η απόδοση (yield) της ακτίνας γ μετριέται και αντικατοπτρίζει την συγκέντρωση σε αυτό το βάθος.

14 Βασικό χαρακτηριστικό της μεθόδου PIGE είναι το γεγονός ότι η κορυφή της ενέργειας της χαρακτηριστικής ακτίνας γ δεν μεταβάλλεται με το βάθος Οι υψηλοί και στενοί συντονισμοί που χρησιμοποιούνται λειτουργούν σαν energy markers. κάθε ενέργεια που έχουμε συλλέξει αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη τιμή του βάθους διείσδυσης του στόχου οι ακτίνες γ που έχουμε βρει θα αντιστοιχούν σε ένα συγκεκριμένο ισότοπο Καθώς η ενέργεια της εισερχόμενης δέσμης αυξάνεται,το προσπίπτον ιόν περνά την ενέργεια συντονισμού σε μακρύτερο βάθος και έτσι μπορούμε να μετρήσουμε το προφίλ του βάθους (depth profiling).

15 Φάσμα PIGE Σμαράγδια από το στέμμα του Guarrazar τα οποία τέθηκαν στην δέσμη για μελέτη. τα κυριότερα στοιχεία είναι (Al,Si,Be) καθώς επίσης (Li,F)

16 Γιατί ελαφριοί πυρήνες. Η επίτευξη μιας τέτοιας τεχνικής απαιτεί η δέσμη να επιτυγχάνεται σε τέτοια ενέργεια ικανή να διαπεράσει το φράγμα δυναμικού Coulomb και να διεισδύσει στον πυρήνα ώστε να γίνει η αντίδραση. Eh z Z 1 1 ( 3 3) a A Εξίσωση του φράγματος δυναμικού όπου Z,z: ατομικοί αριθμοί Α,α:μαζικοί αριθμοί το δυναμικό εξαρτάται από το ατομικό αριθμό Ζ του στόχου για ελαφριά προσπίπτουσα δέσμη μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβεί η αντίδραση στους ελαφριούς πυρήνες!!

17 Εξοπλισμός ηλεκτροστατικός επιταχυντής σωματιδίων (πηγή υψηλής ενέργειας της δέσμης) Cockroft- Walton, van de Graaff type ή tandem vacuum chamber silicon particle detector (ανιχνευτές πυριτίου) για φορτισμένα σωματίδια (NRA) ανιχνευτές NaI, BGO (βισμουθίου-γερμανίου), Ge(Li), ή HPGe κατάλληλα για PIGE για επεξεργασία του σήματος : ηλεκτρονικές μονάδες επεξεργασίας όπως ΝΙΜ (Nuclear Instrument Module), CAMAC (Computer-Automated Measurement And Control)

18 YIELD YIELD Πειραματική διάταξη για τεχνικές ΙΒΑ R kev ENERGY (kev) ENERGY (kev)

19

20 Ο 5.5 MV Tandem Accelerator INP/NCSR Demokritos THE ONLY ACCELERATOR FACILITY EXISTING IN GREECE Βασική έρευνα (60%) Nuclear Astrophysics Neutron Physics Nuclear Reactions on light systems Εφαρμοσμένη έρευνα (40%) στα υλικά, Cultural Heritage, Environmental studies

21 Εφαρμογές -Έρευνα μελέτες υλικών αρχαιολογικού ενδιαφέροντος έλεγχος σε τεχνολογικά υλικά βιοϊατρική

22 Εφαρμογές στην πολιτιστική κληρονομιά Οι μέθοδοι NRA, PIGE εφαρμόζονται μελέτες αρχαιομετρείας( Material identification ) προσδιορισμός του βάθους των στοιχείων (depth profile) Συνήθως χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα διάφορες τεχνικές IBA (πχ PIGE-PIXE) Έχουν δημιουργηθεί πολλά εργαστήρια που χρησιμοποιούν αυτές τις τεχνικές με σκοπό την διαφύλαξη και μελέτη της πολιτιστικής κληρονομιάς όπως AGLAE(Louvre-Paris) αλλά και για έρευνα όπως Forschungszentrum Dresden.

23 η διάταξη για την εξωτερική δέσμη στο AGLAE στην Γαλλία L Charged particles beam exit Ένας πολύτιμος λίθος μπορεί να αναλυθεί με την PIGE χωρίς να καταστραφεί.

24 LEONARDO MADONNA DEI FUSI ελαιογραφία σε ξύλο διαστάσεις:50x36 πιθανολογείται στα 1501

25 Χρησιμοποιούμε PIXE για να διαχωρίσουμε τα στοιχεία στα διάφορα στρώματα E 1 E 2 E 3 E 1 < E 2 < E 3 χρησιμοποιούμε ταυτόχρονα PIGE για να βρούμε ελαφρά στοιχεία

26 Έλεγχος για παρουσία υδρογόνου και άλλων στοιχείων Η κατανομή του υδρογόνου καθώς και των άλλων στοιχείων παρουσιάζει ενδιαφέρον για την μελέτη αρχαιολογικών δειγμάτων. Μια μη καταστροφική τεχνική (NRA,PIGE) είναι κατάλληλη για την μελέτη της διάβρωσης του επιφανειακού στρώματος σε αντικείμενα της πολιτιστικής κληρονομιάς. Σε ένα δείγμα από αρχαίο γυαλί που βρέθηκε στις Κεγχρεές (ανατολικό λιμάνι της Κορίνθου) πραγματοποιήθηκαν τεχνικές πυρηνικής ανάλυσης για την διανομή του βάθους των στοιχείων H,O,C

27 Συνολική κατανομή διαφόρων στοιχείων Αυτές οι μέθοδοι είναι ικανές να εντοπίσουν στρώματα διάβρωσης.

28 Έλεγχος για παρουσία υδρογόνου σε τεχνολογικά υλικά (Ion Beam Analysis for Hydrogen) υδρογόνο είναι το πιο συχνό στοιχείο που «μολύνει» τα υλικά μπορεί να αντιδράσει με τα περισσότερα στοιχεία η παρουσία του υδρογόνου μπορεί να έχει δραματική επίδραση στις ηλεκτρικές, μηχανικές και χημικές ιδιότητες του υλικού Έτσι η τεχνική πυρηνικών αντιδράσεων PIGE μπορεί να εντοπίσει με μεγάλη ακρίβεια το υδρογόνο και συγκεκριμένα το βάθους που βρίσκεται. Μπορεί να ελεγχτεί αν τα δείγματα πληρούν τις προϋποθέσεις για να βγουν στην αγορά.

29 Έχουν δημοσιευτεί εκατοντάδες papers όπου δέσμη με ενέργεια της τάξεως των MeV χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί το προφίλ της συγκέντρωσης του Η. μεγάλη ποικιλία υλικών ηλεκτρονικά υλικά (άμορφο πυρίτιο, νιτρίδια του πυριτίου) Μέταλλα ( διάχυση του Η σε μέταλλα) Γυαλιά (αποσάθρωση γυαλιών) υπεραγωγούς

30 δέσμη ιόντων 15 Ν με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη της ενέργειας συντονισμού βομβαρδίζουμε τον στόχο και ανιχνεύουμε τις χαρακτηριστικές ακτίνες γ Η απόδοση των ακτίνων γ είναι ανάλογη της ποσότητας του Η στην επιφάνεια του δείγματος

31 Προσδιορισμός φθορίου σε ανθρώπινα υγιή και τερηδονισμένα δόντια χρησιμοποιώντας την τεχνική PIGE. Τα υψηλά. επίπεδα συγκέντρωσης του φθορίου στο σμάλτο των δοντιών συμβάλλουν στην πρόληψη της τερηδόνας Αυτή η μελέτη πραγματοποιήθηκε για να εξακριβώσει αν η κατανάλωση υψηλής συγκέντρωσης φθορίου στο νερό συμβάλλει στην αύξηση της συγκέντρωσης του φθορίου στα δόντια Μελετήθηκαν τα δόντια των πληθυσμών σε δύο απομονωμένα νησιά στις Αζόρες στην Πορτογαλία(S. Miguel, Terceira). S.Miguel χαμηλή συγκέντρωση φθορίου(1-2 μg g -1 ) Terceira υψηλή συγκέντρωση φθορίου (>3 μg g -1 ) Η τεχνική PIGE είναι η πλέον κατάλληλη για αυτού του είδους την μελέτη

32 Το Πείραμα Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος PIGE εκμεταλλευόμενη την πυρηνική αντίδραση 19 F(p,γ) 16 Ο Το πείραμα έγινε στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος όπου χρησιμοποιήθηκε ο επιταχυντής Tandem με ενέργεια της δέσμης 5,5 ΜeV καθώς και ένας ανιχνευτής γερμανίου. Οι μετρήσεις περιορίστηκαν στην οδοντική περιοχή των δοντιών. Οι μετρήσεις για τον προσδιορισμό του προφίλ του βάθους υποδεικνύουν απότομες κορυφές στην επιφάνεια του σμάλτου και λιγότερο οξείες στην περιοχή της οδοντίνης

33 Φάσμα ακτίνων γ αφού έχουμε βομβαρδίσει ένα δόντι με δέσμη πρωτονίων ενέργειας 2,4MeV. Η μελέτη έδειξε πως η αύξηση της συγκέντρωσης του φθορίου στο πόσιμο νερό που πίνουμε δεν συντελεί στην αύξηση της συγκέντρωση φθορίου στην οδοντικής περιοχής

34 Βιβλιογραφία Handbook of Modern Ion Beam Material Analysis Yongqiang Wang and Miclael Nastasi Nuclear reaction Analysis (NRA) and Particle Induced g-ray emission(pige) M.Kokkoris Department of Physics, National Technical University of Athens Development of a reference Data base for particle gamma-ray emission(pige) spectroscopy D.Abriola AEA Nuclear Data Section Development in Nuclear reaction Analysis and interdisciplinary investigation with ion beam methods Sziki Gustav Avon Nuclear Reaction Analysis Andrew Caldwell David Hodson Nathan Mar Stephen Rice David Sirajuddin Nuclear Engineering & Radiological Sciences

35 Analysis of ancient glass using ion beams and related techniques S. Kossionides, M. Kokkoris, A.G. Karydas, T. Paradellis, G. Kordas, G.Moraitou Fluorine determination in human healthy and carious teeth using the PIGE method M.Lcarvalho, A.Gkarydas, C.Casac, Ch Zaakada,, T. Paradellis, G. Kordas, G.Moraitou Application ofphoto-detection to art and archaeology at the C2RMF T. Calligaro*, J.-C. Dran, M. Klein

36 Ευχαριστώ πολύ