Applicazione del fascio di protoni per analisi PIXE

Applicazione del fascio di protoni per analisi PIXE Sviluppi futuri della linea a bassa energia e monitor di fascio Claudia Snels, Monia Vadrucci, Paolo Nenzi - ENEA Workshop – ENEA Meeting TOP IMPLART Frascati 18 marzo 2014

Ion Beam Analysis (IBA) campione Acceleratore Fascio di particelle cariche Radiazione di energia caratteristica Rivelatore Spettro

Interazione particella-atomo

Tipi di IBA Ø Ø Particle Induced X-ray Emission ---> PIXE (raggi X) Particle Induced Gamma-ray Emission ---> PIGE (raggi g) Rutherford Backscattering Spectroscopy ---> RBS (particelle del fascio retrodiffuse) Nuclear Reaction Analysis ---> NRA (particelle prodotto di interazioni nucleari) La radiazione emessa dal campione fornisce informazioni sul tipo di atomo o nucleo colpito. NON possiamo ottenere informazioni sui legami chimici. Caratteristiche PIXE: • Analisi multielementale, rapida e quantitativa • Sensibilità fino a poche ppm • Analisi di superficie (decine di micron) • Possibilità di analisi «in esterno» • Misure non invasive e non distruttive La forza e la competitività di questi metodi (rispetto ad esempio a XRF) consiste nella possibilità di utilizzo sinergico delle varie tecniche, che può riuscire a coprire tutto il range energetico (o viceversa il range di elementi) di interesse.

Tipico setup IBA (INFN Labec Firenze) Rivelatore per Gamma al HPGe Rivelatore di particelle Monitor di fascio Rivelatore per X di tipo SDD Rivelatore per X di tipo Si(Li)

Principio PIXE • Le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomica • Anche le differenze tra queste energie, cioè l’energia dei raggi X emessi, sono caratteristiche di ciascuna specie atomica Analisi qualitativa: rivelazione e classificazione delle energie raggi X emessi dal campione Analisi quantitiva: numero dei raggi X emessi di energia caratteristica proporzionale alla concentrazione dell’elemento nel campione.

Rivelatori PIXE Rivelatori Silicon Drift Detectors (SDD) Caratteristiche: • Piccola superficie attiva (da 7 mm 2 a 30 mm 2) • Piccolo spessore (300 mm) • Ritmo di conteggio molto alto (no saturazione) • Rapida formazione del segnale (0. 5 ms) • Raffreddamento interno con Peltier • Basso costo (10 -15 k€) Ottimizzati per X a bassa energia Low Z, high cross section Rivelatori Silicon Lithium Drifted Si(Li) Caratteristiche: • Ampia superficie attiva (da 80 mm 2 in poi) • Alto spessore (3 mm) • Ritmo di conteggio limitato (max 100 kcps) • Lenta formazione del segnale (6 ms) • Raffreddamento con dewar di azoto liquido • Costo medio-alto (30 k€) Ottimizzati per X a media/alta energia High Z, small cross section

TOP IMPLART e la PIXE • La peculiarità delle tecniche di tipo IBA è la non distruttività. • I parametri importanti per la non distruttività sono la corrente del fascio e la carica totale depositata sul campione durante l’irraggiamento. • Tipicamente le macchine acceleratrici utilizzate sono piccoli acceleratori commerciali elettrostatici (con flusso continuo di particelle a meno di shutter). • Per ottenere la non distruttività e il non danneggiamento dei campioni i parametri di esercizio sono i seguenti: TOP: corrente 100 p. A @20 ms@5 Hz o Energia del fascio: 1÷ 7 Me. V carica 5*10 -10 C @1 s@5 Hz o Corrente: 1÷ 10 p. A o Carica depositata durante l’irraggiamento: 10 -10 C@100 s • Attualmente sulla linea verticale di TOP IMPLART per gli esperimenti di radiobiologia si possono ottenere facilmente parametri compatibili con quelli di uso comune per IBA, soprattutto nelle applicazioni dove è importante la non invasività (e. g. belle arti). • Problema: avere monitor di fascio «real time» e non distruttivi per verificare tali condizioni di fascio.

Monitor di fascio con IBA Soluzioni implementate presso INFN Firenze con fascio in aria Rivelatore di particelle Monitor di fascio PIXE Il rivelatore di particelle è un fotodiodo (protetto dalla luce visibile con Mylar alluminato) che permette di determinare la fluenza del fascio e la presenza di C e O nel campione tramite l’analisi quantitativa e qualitativa delle particelle backscatterate dal campione. Il monitor di fascio PIXE è una paletta rotante di grafite ricoperta da un sottile strato di Ni che intercetta il fascio ad intervalli temporali regolari. Il picco per il Ni negli spettri PIXE permette di determinare la fluenza del fascio.

Monitor di fascio con IBA Soluzioni possibili presso TOP IMPLART: Linea verticale E’ presente un foglio di oro da 2 mm che scattera il fascio per fargli raggiungere il diametro di 13 mm in maniera uniforme L’interazione tra il fascio e il foglietto d’oro genera raggi X, il cui numero è proporzionale alla fluenza del fascio stesso Posizionando un rivelatore X di tipo SDD (compatto, economico, no dewar, no saturazione), si può ottenere una misura della fluenza dopo opportuna calibrazione (ad esempio aumentando la corrente ed utilizzando una Faraday cup).

Monitor di fascio con IBA Soluzioni possibili presso TOP IMPLART: sviluppi futuri La cross section per gli X di alcuni materiali varia considerevolmente con l’energia del fascio incidente (nel range delle basse energie). Si potrebbe utilizzare una targhetta molto sottile di uno di questi materiali e sempre con un rivelatore X cercare di inferire anche l’energia del fascio e non solo la fluenza.

Monitor di fascio con IBA Soluzioni possibili presso TOP IMPLART: Alle finestre di uscita Si può sfruttare il backscattering della finestra di uscita per determinare la corrente del fascio. Si posiziona un rivelatore di particelle (piccolo, 150 €!!!), in opportuna posizione. ) PROBLEMA: per ottenere una misura della corrente il rivelatore va opportunamente calibrato. Se le correnti sono molto piccole le misure ottenute con Faraday cup sono poco attendibili. VANTAGGIO: lo spettro di backscattering da anche informazioni sullo stato di usura della finestra di uscita.