Fasci ionici all acceleratore LABEC di Firenze: sviluppi e applicazioni all analisi microscopica dei materiali

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1 Fasci ionici all acceleratore LABEC di Firenze: sviluppi e applicazioni all analisi microscopica dei materiali Filippo Del Greco Relatore: prof. Ettore Vittone (UniTO)... Co-relatore: dott. Alessandro Lo Giudice (INFN-TO) Tutore: dott. Lorenzo Giuntini (INFN-FI).. Sessione di laurea triennale 05 ottobre 2010 Università degli studi di Torino Corso di laurea in Fisica

2 LABEC: Laboratorio di tecniche nucleari per i Beni Culturali Dove si trova: Sesto Fiorentino (FI)

3 LABEC: Laboratorio di tecniche nucleari per i Beni Culturali Di cosa si occupa: Analisi strutturali e composizionali di campioni mediante un fascio di ioni (IBA) Spettroscopia di massa tramite acceleratore (AMS) Datazione di reperti e sviluppo della tecnica 14 C-AMS Tensione massima: 3MV Energia: 6-18 MeV

4 Le linee di fascio

5 Ora al LABEC, il progetto FARE Beni culturali Rilevazioni ambientali Sviluppo Caratterizzazioni geologiche Studi biologici Modificazioni dei materiali

6 Le tecniche IBA (Ion Beam Analysis) Analisi degli scattering PIXE e PIGE IBIL raggi X (PIXE) elettroni atomici prodotti di reazioni nucleari (NRA) scattering elastico (BS) raggi (PIGE) scattering elastico (FS)

7 PIXE e PIGE (Particle Induced X-ray/Gamma-ray Emission) PIXE: Z>11 Transizioni elettroniche Energia caratteristica del singolo elemento Livelli energetici PIGE: alcuni elementi a basso Z Diseccitazione del nucleo e V Energia caratteristica del singolo isotopo

8 PIXE e PIGE (Particle Induced X-ray/Gamma-ray Emission) Multi-elementali e rapide ~ 30 minuti Possibile risoluzione in profondità ~ µm Bassa Bremsstrahlung -> elementi presenti in tracce Legami chimici non rivelabili -> stechiometria per i composti Analisi multielementale del Ritratto Trivulzio di Antonello da Messina (dettaglio del mantello) concessione del LABEC

9 IBIL (Ion Beam Induced Luminescence) Centri di ricomposizione radiativa delle strutture cristalline -> impurità sostituzionali Eccitazione Banda di conduzione Difetti intrinseci Impurità Banda di valenza Luminescenza intrinseca: struttura del cristallo Luminescenza estrinseca: presenza di impurità

10 IBIL (Ion Beam Induced Luminescence) Scomposizione in lunghezze d onda -> diverse fasi cristallografiche Ionoluminescenza su lapislazzuli. Misura su reperto archeologico ( CM ) e campioni di riferimento. (LABEC) PIXE PIXE e PIGE: lazurite (non luminescente) IBIL: diopside (luminescente) PIGE IBIL Zolfo Sodio Banda blu Banda giallo Banda rosso Pancromatico

11 Segnale molto evidente Scansione rapida Identificazione delle aree di interesse mediante IBIL Analisi mediante PIXE Identificazione univoca degli elementi

12 Il microfascio esterno 1 cm Fascio focheggiato ~ 10 µm con sistema di scansione Disponibilità di camera oscura Pratico rispetto ai set-up in vuoto Vantaggioso rispetto ai fasci collimati Diffusione e allargamento del fascio in aria

13 Sviluppo Telecamere Rivelatori di particelle : STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy) Rivelatori PIXE Sistema per IBIL e forwardscattering : il big e lo small : lo spettrometro ottico (ad ampio spettro) ed il filtro con fotomoltiplicatore per le mappe monocromatiche

14 Controllo remoto Sistemi di posizionamento e verifica della corrente Software di acquisizione e analisi Finestra di uscita Linea del fascio Raggi X dal silicio della finestra Foglio di Upilex Rivelatore di raggi X Nasino di uscita Progettazione del sistema di rotazione. Sistema di misurazione della carica.

15 Formiche Obiettivi: individuare bioindicatori per l inquinamento ambientale caratterizzare la distribuzione di elementi negli organi 60 individui da tre provenienze Metodologia: creazione di sezioni sottili (~10 µm) non degradabili mappatura con micro-pixe (3 MeV, 50 minuti) confronto con foto e istologie 500 µm

16 c o n t e g g i c o n t e g g i Identificazione dei metalli Ca Mn Fe Cu P S Cl 1000 Zn Ca kev Fe Big kev Small

17 Elementi fisiologici Zn nelle pareti dello stomaco Zn, Ca nei tubuli Malpighiani Stomaco (ppm) Elemento Controllo Minerario Urbano Mn ~60 26 ± 8 90 ± 30 Fe 100 ± ± ± 50 Cu 28 ± 8 15 ± 5 61 ± 18 Zn 60 ± ± ± 100 Sr ~10 < 15 ~20 Corpi grassi (ppm) Elemento Controllo Minerario Urbano Mn ~10 34 ± 10 ~20 Fe 110 ± ± ± 110 Cu ~10 ~10 56 ± 17 Zn 47 ± ± ± 30 Sr < 20 < 15 < 10

18 Risultati: presenza di elementi fisiologici presenza di marker dell habitat di provenienza accumulo in organi specifici Fe nei corpi grassi

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