PIXE

Fundamentos da técnica PIXE
Técnica PIXE
Parâmetros importantes
produção
detecção
Medidas realizadas
Análise de
materiais /
Física Nuclear
Partícula (núcleo projétil)
Resposta: núcleo em recuo,
ou radiação eletromagnética
Técnicas
Colisões nucleares
Constituintes (rad ou part)
Sensibilidade (ppm)
Eficiência (sensibilidade)
Parâmetros conhecidos
Seção de choque
Não destrutivo
Cinemática
Insensível a espécie química
Poder de freamento
ANÁLISE DO ESPECTRO DE ENERGIA
PIXE - Particle Induced X-Ray
Emission
Emissão de raios-X induzida com partículas
+
H
X ray
PIXE (Radiação Eletromagnética)
detetor
Emissão de raio-X (PIXE)
0
partícula leve
Ka
Características
Medidas absolutas em átomos/cm2
Alta sensibilidade (ppm)
Alta resolução para elementos vizinhos
PIXE - Eficiente para Z > Si
Rápido (15 min)
Kb
M
L
K
transições de dipolo
s  0
j  0,1
j   s
Lei de Moseley
Um espectro “real”
.
Canal
Quantificação de cada elemento
Identificação (calibração energia/canal)
Relação área de pico – número de átomos
Calibração em energia
Relação canal x energia do raio-X
Alvo/fonte conhecido
Reta de Calibração
9
8.5
8
Energia (KeV)
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
150
175
200
225
250
275
300
325
Canal
350
375
400
425
450
475
M2, Z2
E, M1, Z1
q
M, Z
W
d
Y  N A NF
( E, q ) W
dW
NA = número de partículas/cm2 do alvo
NF = número total de partículas do feixe
d/dW  seção de choque (probabilidade)
W  ângulo sólido
Det
n N0
W
Q
Ni 
i
4 q  e  cos a  An
E

 X E´  e
i
 cosa
 i
 senq
E´

E0
dE´´
S  E´´ 
dE´
S E´
E0
Quantidade
deelementar
raiosQuantidade
Concentração
Auto absorçãode
de Raios-X
Ângulo sólido
Eficiência
doincidentes
detector
X
detectados
partículas
Alvo Espesso
Freamento das partículas incidentes
n
N i  Ri  Q 

W N0
1
Ri 
i
4 An q  e  cos a
E

E0
 X E´  e
i
 cosa
 i
 senq
E´
dE´´
 S  E´´ 
E0
S E´
Medidas experimentais
Arranjo experimental
dE´
1
Alvo fino
n N0
W
Q
Ni 
i
4 q  e  cos a  An
E

E0
 X  E´   e
i
 cosa
 i
 senq
S  E´ 
1 dE
dz 
 S( E )
N0
W
Q
ni 
i
 X i  E0    n  
4 q  e  cos a An
ni  ri  Q   n   
E´

E0
dE´´
S  E ´´ 
dE´
 X i ( E0 )    
Seção de choque de produção de raios X
-19
u2
log( K
K
z12
( keV 2 cm 2 )
Interação coulombiana entre
próton incidente e elétron ligado
) -21
-23
Forma universal
-2
-1
log( E
0
1
 uK
)
K (alfa)
E - energia da projétil
z1 - z do projétil
uk - energia de ligação do estado k
k - seção de choque de produção
 - massa do projétil / massa do elétron
k
L
K
Z
Probabilidade de interação
(efeito fotoelétrico)
Energias mais baixas - fino
Energias mais altas - espesso
Y ef (un arb)
 - Eficiência do detetor
L
K
0
20
40
60
80
100
Z
T - Transmitância
high energy X-ray detector spectrum
OK
T i K V K Cr K Fe K
low energy X-ray detector spectrum
10000
Ga K
1000
counts
absorvedores entre
amostra e detector +
janela/ filtros
(efeito fotoelétrico)
Al K
1e5
100
10
1
0
5
10
X-ray energy (keV)
15
20
25
Previsões para o nosso arranjo experimental
Parâmetros
Projétil - próton ;  - JJ ; Absorv - 10 cm (ar)
Janela - 25 m Be ; Detector - 4 mm Si
Alvos grossos
Perda de energia importante
(Freamento até parar)
0   E T  E dE
z
 z Tz   z
S E 
E0
E0
S - Stopping Power
Aumento nas contagens de fundo
Taxa de contagem (pile-up)
Bremsstrahlung
SEB (secondary electron), AB (atomic), Direct B (proton)
Dependente do tipo de material e energia do feixe
Reações Nucleares (+compton)
Limites de Detecção
Elementos traços
Capacidade de identificar R-X sobre contagem de fundo
Avaliar a flutuação estatística
Lim  k  f  k Cf
Contagem
Quant
(>10 )
k=3
LD
Detect
k=1
LC
Energia
Sem id
Identificação de elementos traços:
Processo de confecção
Procedência / Autenticação
Moedas espanholas
1870
1890
Espectros PIXE para moedas de prata,
demonstrando a diferença na composição
de elementos traços (Fe e Pb).
Análise do espectro PIXE para dentes
obtido com feixe externo
9 dentes humanos
9 dentes bovinos
5 dentes suínos
Fotos do sambaqui de Santa Marta (SC)
Espectro PIXE obtido de uma concha coletada do
sambaqui de Santa Marta (SC)
Relação Sr/Ca em ostras como um sensor de
temperatura
Feixe Externo
Técnicas
PIXE
PIGE
RBS
Amostras Especiais
Biológicas (solução)
Porosas (arqueologia)
Tamanho incompatível
vácuo
atm
amostra
feixe
janela
det
Fim
Janela de Saída
0.5 mm Al
15.0 MeV
11.0 MeV
1H
Laser para
posicionamento
Si(Li)
IPEN
Resolução:
180 eV para 55Fe
GeLi (20%)
Ortec +
anticompton
Resolução:
2.5 keV para Co