Dispositivi a raggi X - Dipartimento di Fisica - Università degli studi ...

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Dispositivi a raggi X - Dipartimento di Fisica - Università degli studi ...

Dispositivi a raggi X

Università degli Studi di Cagliari

Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione


TUBO A RAGGI X

v

FILAMENTO

BERSAGLIO DI

TUNGSTENO

CIRCUITO

DEL

FILAMENTO

CATODO

CUFFIA

APERTURA

TUBO

SOTTOVUOTO

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ELETTRODI DEL TUBO RX

Elettrodo negativo

(catodo)

Elettrodo positivo

(anodo)

AMPOLLA

SOTTO VUOTO

Il tubo è costituito da una ampolla di vetro tenuta sottovuoto

Il catodo è costituito da un filamento di tungsteno del tutto

simile a quelli di una lampadina ad incandescenza

3


IL FILAMENTO

Q = i x V x t

6 V

Q = calore prodotto

i = corrente

V = tensione

t = tempo

Collegando il filamento del catodo ai capi di un alimentatore a

bassa tensione (3 ÷ 6 volt), si ottiene un riscaldamento del

filamento per effetto termico della corrente (effetto joule)

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IL FILAMENTO

Il calore prodotto per effetto joule fa aumentare la temperatura

del filamento

Il filamento si scalda tanto da diventare incandescente (500 ÷

800 °C)

Il filamento resiste alle alte temperature perché il tungsteno ha

una temperatura di fusione molto elevata.

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ENERGIA DI AGITAZIONE TERMICA

TEMPERATURA

AGITAZIONE TERMICA

E = 3 2 x k x T

E = Energia cinetica di una particella

k = COSTANTE DI BOLTZMAN

T = temperatura assoluta

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EFFETTO TERMOIONICO

• L’energia cinetica degli elettroni aumenta con la temperatura;

• Se l’energia cinetica dovuta all’agitazione termica è elevata,

puó strappare gli elettroni dagli atomi del filamento;

• Questo effetto è chiamato: effetto termoionico.

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EFFETTO TERMOIONICO

È un processo di estrazione degli elettroni a causa della

agitazione termica. Si traduce in tre fasi:

1. Il filamento emette elettroni

2. Il filamento assume una carica positiva

3. Gli elettroni emessi rimangono in prossimità del filamento a

causa della attrazione tra cariche opposte

Nuvola elettronica

addensata sul

catodo

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ENERGIA DEGLI ELETTRONI

Collegando catodo e anodo rispettivamente ai poli e di

un generatore di alta tensione, gli elettroni emessi dal catodo

vengono attratti dall’anodo.

-

CATODO

ANODO

+

+

Quando gli elettroni arrivano

all’anodo hanno una energia

elevata:

E c = e x ∆V

E c

= energia cinetica

___degli elettroni;

e = carica dell’elettrone

___1.6 x 10 -19 C

∆V = differenza di

____potenziale tra catod

____e anodo

Generatore di alta tensione

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COME VIENE CONVERTITA

QUESTA ENERGIA?

3 tipi di interazioni:

• 1 – interazione dell’elettrone proiettile con gli elettroni

delle orbite esterne degli atomi dell’anodo (atomi

bersaglio).

• 2 – passaggio ravvicinato dell’elettrone proiettile in

prossimità di un nucleo dell’atomo bersaglio.

• 3- interazione dell’elettrone proiettile con un elettrone

dell’atomo bersaglio nelle orbite piú interne (K, L…)

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CALORE

ELETTRONE

+

NUCLEO

ATOMO

• L’elettrone interagisce solo con gli

elettroni delle orbite più esterne;

• Perde solo una piccola parte della

sua energia che si trasforma in

calore;

• Questa è l’interazione più frequente

(99% dei casi);

• L’anodo è costituito da materiale

con un alto punto di fusione (es.

Tungsteno o Molibdeno) quindi non

fonde;

• L’anodo viene raffreddato per

evitare il deterioramento;

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RADIAZIONE DI FRENAMENTO

LETTRONE

+

NUCLEO

• L’elettrone passa in prossimità del

nucleo;

• Subisce una deviazione di traiettoria

• A seguito dela deviazione l’elettrone

perde parte della sua energia;

• L’energia persa dall’e. Viene emessa

come un fotone X;

• Questa radiazione è chiamata di

frenamento o bremsstrahlung

ATOMO

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RADIAZIONE DI FLUORESCENZA X

LETTRONE

+

NUCLEO

• L’elettrone incidente urta contro un

elettrone delle orbite più interne;

• L’elettrone colpito viene espulso

dall’atomo;

• Un elettrone di un orbita più alta va

ad occupare il posto lasciato libero

nell’orbita interna;

• Viene emesso un fotone X di energia

pari all’energia persa dall’elettrone

nella transizione;

ATOMO

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SPETTRO DEI RAGGI X

INTENSITÀ

Spettro a righe dovuto alla

radiazione emessa a seguito

della espulsione degli elettroni

delle orbite interne.

Spettro continuo dovuto alla

radiazione emessa a

seguito del passaggio degli

elettroni nelle vicinanze del

nucleo.

ENERGIA

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INTERAZIONE DEI RAGGI X

• I raggi X non sono altro che

fotoni, del tutto identici ai raggi γ;

differiscono da questi solo per

l’origine (i raggi γ hanno origine

nel nucleo mentre i raggi X

nascono a livello degli orbitali

atomici);

+

x

x

γ

• i raggi X interagiscono con la

materia nello stesso identico

modo della radiazione gamma;

Una volta emessi, i raggi X

sono indistinguibili dai raggi γ

anche se in genere hanno

energie più basse.

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DISPOSITIVI A RAGGI X

Esistono diverse apparecchiature che sfruttano le radiazion

ionizzanti per effettuare misure, analisi e controlli;

Nel campo della ricerca quelli maggiormente utilizzate sono:

‣ SPETTROMETRO a raggi X di fluorescenza (XRF) con tubo a raggi

X o radioisotopi;

‣ DIFFRATTOMETRO con tubo a raggi X;

‣ MICROSCOPIO ELETTRONICO fascio di elettroni;

‣ Detector per gascromatografia a cattura elettronica (ECD);

‣ MISURATORE DI POLVERI IN ARIA con sorgenti radioattive

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SPETTROMETRO

Cos’è? È un dispositivo che serve per effettuare l’esame

dello spettro dei raggi X di fluorescenza emessi dai

componenti dei materiali sottoposti ad analisi.

Come funziona? L’emissione dei raggi X di fluorescenza

è stimolata a sua volta da un fascio di raggi X generati da

un tubo radiogeno o da una o più sorgenti radioattive.

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SPETTROMETRO

SCHEMA A BLOCCHI

TUBO A

RAGGI X

FASCIO DI

RAGGI X

PREAMPLIFICATORE CONVERTITORE A/D

RIVELATORE AMPLIFICATORE

RADIAZIONE DI

AMPIONE

FLUORESCENZA

TENSIONE

DI BIAS

L'analisi dello spettro di

fluorescenza X emessa,

consente di determinare la

presenza e la concentrazione di

diversi elementi in un campione.

Il metodo XRF è un metodo non

distruttivo.

Count

E (keV)

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SPETTROMETRO

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

• Negli spettrometri XRF un sottile fascio di raggi X

colpisce il punto da analizzare ed eccita, per effetto

fotoelettrico, gli stati elettronici più profondi degli atomi

presenti;

ELETTRONE

FOTONE

X

+

NUCLEO

•La radiazione X provoca

l'estrazione di un elettrone da

una delle orbite più vicine al

nucleo (orbite k, l, m ).

ATOMO

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SPETTROMETRO

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

• Gli atomi così eccitati saltano ad un livello energetico

superiore ma si diseccitano immediatamente emettendo

radiazione X monocromatica ("righe" X) di energia

caratteristica dell' elemento coinvolto.

FOTONE X

DI ENERGIA

CARATTERISTICA

ATOMO

+

•PER ESEMPIO:

•Gli atomi di Ferro sono

caratterizzati da una riga a

6,4 keV (riga kα ) e da una riga

a 7,1 keV (riga kβ ), gli atomi di

Rame da una riga a 8,03 keV ed

una a 8.94 kev; e così via.

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SPETTROMETRO

Lo spettrometro da laboratorio

con tubo radiogeno è costituito

da una struttura metallica di

grandi dimensioni, chiusa.

I raggi X sono confinati al suo

interno e sono schermati dalle

pareti e da vetri al piombo.

La struttura contiene anche il

sistema di alta tensione, il tubo

radiogeno e la camera di

analisi.

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DIFFRATTOMETRO

• Cos’è? È un dispositivo che viene utilizzato per

l’analisi della struttura cristallina dei campioni;

• Come funziona? Viene inviato un fascio di

raggi X di energia opportuna sul campione e se

ne studia il fascio emergente. L’analisi

diffrattometrica consiste nella misura

dell’angolo di diffrazione del fascio di raggi X

diffratto dal campione.

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DIFFRATTOMETRO

SCHEMA A BLOCCHI

FASCIO DI

RAGGI X

TUBO A

RAGGI X

TENSIONE

DI BIAS

PREAMPLIFICATORE

RIVELATORE

AMPLIFICATORE

CONVERTITORE

A/D

FINESTRE

CAMPIONE

MONO

CROMATORE

ASSE DI ROTAZIONE

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DIFFRATTOMETRO

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

• Vengono utilizzati raggi X di lunghezza d’onda

confrontabile con il passo del reticolo cristallino;

• Il fascio viene collimato facendolo passare attraverso

delle fenditure. Prima di queste in genere ci sono delle

sottilissime lastre piane per lasciar passare solo le

lunghezze d’onda di interesse;

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GEOMETRIA DI DIFFRAZIONE DEI

RAGGI X

Raggi X

λ

θ

LEGGE DI BRAGG

nλ = 2d sen θ

d

Atomi nel reticolo

cristallino

L’angolo θ di diffrazione dei raggi X dipende:

•dalla distanza (d) tra gli atomi

•dalla lunghezza d’onda (λ), ossia dalla energia, dei raggi X

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DIFFRATTOGRAMMA

• Il rivelatore legge l’intensità del raggio diffratto

che verrà riportato in funzione dell’angolo d

diffrazione 2θ (pari alla somma dell’angolo d

incidenza e di quello di emergenza);

• il risultato è un diffrattogramma, ossia uno spettro

in cui le intensità dei picchi sono funzione

dell’angolo di diffrazione;

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I diffrattometri possono

avere il fascio schermato

oppure il fascio in aria

libera.

Nel primo caso, se lo

strumento è in perfetta

efficienza, la radiazione

all’esterno è trascurabile

DIFFRATTOMETRO

Nel caso del diffrattometro con fascio

in aria libera è necessario schermare

la radiazione X con un box in metallo

di spessore opportuno e vetri anti X.

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MICROSCOPIO

ELETTRONICO

• Il M.E. utilizza un fascio di elettroni

opportunamente accelerato e focalizzato da un

sistema di lenti elettromagnetiche, per la

esplorazione della superficie di un preparato;

• esistono due tipi di M.E., il sem e il tem, il primo

è a scansione e il secondo a trasmissione, ma dal

punto di vista radioprotezionistico fra i due non

esiste nessuna differenza in quanto il fascio di

elettroni, a seguito dell’interazione con il

campione in esame, emette radiazione X.

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MICROSCOPIO ELETTRONICO

SCHEMA A BLOCCHI

MICROSCOPIO

OTTICO

MICROSCOPIO A

TRASMISSIONE

(TEM)

MICROSCOPIO A

SCANSIONE (SEM)

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MICROSCOPIO ELETTRONICO

Rischi

• I rischi per le persone che utilizzano il microscopio

elettronico sono trascurabili, in quanto lo strumento e le

finestre di visione sono schermati;

• L’uso di questi dispositivi è ritenuto sicuro, infatti è

esente da particolari disposizioni normative in campo di

utilizzo di radiazioni ionizzanti;

• Il datore di lavoro è comunque tenuto a formare il

personale;

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