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 2
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) 4
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. 5
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
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
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
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 10-19 C V = differenza di potenziale tra catodo e anodo 9
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
MICROSCOPIO ELETTRONICO SCHEMA A BLOCCHI MICROSCOPIO OTTICO MICROSCOPIO A TRASMISSIONE (TEM) MICROSCOPIO A SCANSIONE (SEM) 29
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