Dispositivi a raggi X

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1 Dispositivi a raggi X Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione

2 TUBO A RAGGI X v FILAMENTO BERSAGLIO DI TUNGSTENO CIRCUITO DEL FILAMENTO CATODO CUFFIA APERTURA TUBO SOTTOVUOTO 2

3 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

4 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) 4

5 IL FILAMENTO Il calore prodotto per effetto joule fa aumentare la temperatura del filamento Il filamento si scalda tanto da diventare incandescente ( C) Il filamento resiste alle alte temperature perché il tungsteno ha una temperatura di fusione molto elevata. 5

6 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 6

7 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. 7

8 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 8

9 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 Generatore di alta tensione 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 C V = differenza di potenziale tra catodo e anodo 9

10 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 ) 10

11 CALORE ELETTRONE + NUCLEO 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; ATOMO 11

12 RADIAZIONE DI FRENAMENTO ELETTRONE + 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 12

13 RADIAZIONE DI FLUORESCENZA X ELETTRONE + 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 13

14 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 14

15 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. 15

16 DISPOSITIVI A RAGGI X Esistono diverse apparecchiature che sfruttano le radiazioni 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 16

17 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. 17

18 SPETTROMETRO SCHEMA A BLOCCHI TUBO A RAGGI X FASCIO DI RAGGI X CAMPIONE PREAMPLIFICATORE CONVERTITORE A/D RIVELATORE AMPLIFICATORE RADIAZIONE DI 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) 18

19 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 19

20 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 + 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. ATOMO 20

21 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. 21

22 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. 22

23 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 23

24 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; 24

25 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 25

26 DIFFRATTOGRAMMA Il rivelatore legge l intensità del raggio diffratto che verrà riportato in funzione dell angolo di diffrazione 2θ (pari alla somma dell angolo di 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; 26

27 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. 27

28 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. 28

29 MICROSCOPIO ELETTRONICO SCHEMA A BLOCCHI MICROSCOPIO OTTICO MICROSCOPIO A TRASMISSIONE (TEM) MICROSCOPIO A SCANSIONE (SEM) 29

30 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; 30