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
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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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