P.A. Mandò Fisica Nucleare e Beni Culturali II Villa Gualino, febbraio 2002

Analisi di materiali in campo archeometrico - PERCHÉ? informazioni storiche su sviluppi tecnologici e fonti di approvvigionamento nel passato “datazioni” indirette attribuzioni, autenticazioni (o scoperta di falsi) scelta di tecniche di restauro compatibili e reversibili

Analisi di materiali - COME? analisi chimica spettrometrie nel visibile, I.R., U.V. tecniche “nucleari”: tecniche di attivazione (con neutroni o particelle cariche) fluorescenza X Ion Beam Analysis (PIXE, PIGE, NRA, RBS, ....)

Ion Beam Analysis (IBA) rivelatore radiazione caratteristica spettro di energia segnale campione fascio di particelle

Ion Beam Analysis

Differenti tecniche di Ion Beam Analysis Particle-Induced X ray Emission (PIXE) Backscattering Spectrometry (BS) Rutherford (RBS) o non Rutherford Particle-Induced Gamma ray Emission (PIGE) Nuclear Reaction Analysis (NRA) risonante o no

Ion Beam Analysis veloce, quantitativa, multi-elementale  stechiometria grandi sezioni d’urto  basse correnti di fascio (pA o decine di pA)  non distruttiva analisi di superficie (15-20 mm tipicamente) profili di concentrazione micro-analisi fasci esterni

Principio dell’analisi PIGE - I per gli elementi a Z minore, le particelle del fascio si possono avvicinare di più al nucleo-bersaglio (repulsione Coulombiana meno forte) le forze nucleari (a corto range) possono perciò entrare in gioco di conseguenza il nucleo-bersaglio può essere eccitato la diseccitazione del nucleo avviene tramite emissione pronta di un raggio gamma

Principio dell’analisi PIGE - II i livelli di energia dei nuclei sono specifici di ciascun isotopo dunque anche le energie dei raggi gamma sono caratteristiche dell’isotopo emettitore la rivelazione e la classificazione delle energie dei raggi gamma permette di identificare e quantificare gli isotopi a basso Z nel campione-bersaglio

Principi dell’analisi BS - I In una collisione elastica di una particella del fascio con un nucleo del bersaglio la particella viene deflessa Per collisioni con nuclei di una data massa M, al diminuire del parametro d’urto : l’angolo di scattering cresce (fino ad avere backscattering) l’energia residua della particella è minore

Principi dell’analisi BS - II Per un dato angolo di scattering q, l’energia E1 della particella del fascio (di massa m) dopo la collisione dipende solo dalla massa M del nucleo bersaglio: energia minore dopo collisioni con nuclei più leggeri energia maggiore dopo collisioni con nuclei più pesanti

Esempio di spettro RBS (simulazione) protoni 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari q = 170°, risoluzione rivelatore (irrealistica) 1 keV FWHM Si noti (C, Si, S, Ca, Fe, Cu) la rivelazione dei diversi isotopi dello stesso elemento

Esempio di spettro RBS (simulazione) stesso target, fascio (protoni) e geometria di misura del precedente, ma con risoluzione rivelatore (realistica) 10 keV FWHM

Esempio di spettro RBS (simulazione) alfa 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari q = 170°, risoluzione rivelatore (irrealistica) 1 keV FWHM Si noti, nel confronto con l’analogo ottenuto con fascio di protoni (due slides prima), che la scala di energia è diversa. La separazione fra le masse è migliore

Esempio di spettro RBS (simulazione) stesso target, fascio (alfa) e geometria di misura del precedente, ma con risoluzione rivelatore (realistica) 15 keV FWHM

Principi dell’analisi BS - III Prima di subire una collisione con un nucleo, le particelle del fascio penetrano nel bersaglio perdendo progressivamente energia a causa delle interazioni con gli elettroni. Anche dopo l’urto, la particella retrodiffusa perde energia prima di “uscire” all’indietro verso il rivelatore l’energia misurata di una particella diffusa dipende dunque anche dalla profondità alla quale è avvenuta la collisione IN CONCLUSIONE lo spettro di energia delle particelle diffuse fornisce informazioni sulla composizione del bersaglio e sulla distribuzione degli elementi in funzione della profondità

Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Bulk di Cu ricoperto con doratura di 0.1 mm di spessore q = 170°, risoluzione 15 keV FWHM

Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Bulk di Cu ricoperto con doratura di 1 mm di spessore = 170°, risoluzione 15 keV FWHM Dalla larghezza del “picco” dell’oro si determina lo spessore della doratura (in quanto il dE/dx è noto)

Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Carta spessa con strato di FeSO4 in superficie, di 2 mm di spessore = 170°, risoluzione 15 keV FWHM Si noti il contributo dell’ossigeno allo spettro, che deriva sia dall’ossigeno nel solfato (in superficie) che da quello nella cellulosa della carta.

Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Carta spessa con strato di grafite (tratto di matita) in superficie, di 1 mm di spessore = 170°, risoluzione 15 keV FWHM Si noti il contributo del carbonio allo spettro, che deriva sia dal carbonio della grafite (in superficie) che da quello nella cellulosa della carta.

Principio dell’analisi PIXE le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomica dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica da cui sono emessi la rivelazione e classificazione delle energie X permette di identificare e quantificare i differenti elementi presenti nel campione-bersaglio del fascio

Esempi di spettri PIXE

PIXE VANTAGGI analisi molto rapide, sensibili, non distruttive analisi quantitativa energia minima dei raggi X comunemente rivelabili :  1 keV, dunque: tutti gli elementi a partire dal Na compreso simultaneamente quantificabili

PIXE LIMITAZIONI nessuna informazione sulle componenti organiche nessuna informazione diretta sui legami chimici (come in tutte le tecniche IBA) però…. ipotesi stechiometriche grazie alla quantitatività e multielementalità nessuna informazione immediata sulla stratigrafia e la distribuzione in profondità degli elementi però…. PIXE differenziale

Processi di diseccitazione atomica

Efficienza di fluorescenza

Sezioni d’urto di ionizzazione (da protoni)

Transizioni atomiche

Energie dei raggi X caratteristici

Analisi quantitativa TARGET SOTTILI Y0 (Z) = Q (t Z)  Z Y0 (Z) = NP  NZ  t  Z,E0  (Z  Z  /4) Y0 (Z) = (Q / e)(NA / A)( t Z ) Z,E0  (Z  Z  /4)   Y0 (Z) = Q (t Z)  Z  Z = (1 / e)(NA / A) Z,E0  (Z  Z  /4)

Efficienze di rivelazione in set-up a due rivelatori

Campioni non sottili

Analisi quantitativa (target spessi)

PIXE per le analisi di materiali nel campo dei beni culturali multi-elementale, quantitativa bassissime correnti grazie alle altissime s fasci esterni non distruttiva micro-analisi

FASCIO ESTERNO nessun danno termico nessun problema di disidratazione facilità nel maneggiare e muovere il “bersaglio” analisi di oggetti di qualunque dimensione prelievi non necessari riscaldamento trascurabile nessun danno termico nessun problema di disidratazione

Condizioni tipiche di misura fascio di protoni da 3 MeV nominali correnti dai pA a meno di 1 nA (a seconda del tipo di applicazione) flusso di He davanti alla finestra di uscita del fascio durata di una misura dalle decine di secondi a qualche minuto

Schema di set-up PIXE con fascio esterno Firenze - KN3000

Fascio esterno 1 cm

Analisi di ceramiche

Analisi di miniature

Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico

Efficienza intrinseca eZ dei Si(Li) Y0 (Z) = NP  NZ  t  Z,E0  (Z  Z  /4)

Efficienze di rivelazione in set-up a due rivelatori

Il sistema portatile PIXE-alfa dei LNS

Il sistema portatile PIXE-alfa dei LNS

Scoperta di un falso