Fundamentos da técnica PIXE

Técnica PIXEParâmetros importantes

produção detecção

Medidas realizadas

Análise de materiais /

Física Nuclear

TécnicasConstituintes (rad ou part)

Eficiência (sensibilidade)Seção de choqueCinemáticaPoder de freamento

Partícula (núcleo projétil)

Resposta: núcleo em recuo, ou radiação eletromagnética

Colisões nuclearesSensibilidade (ppm)Parâmetros conhecidosNão destrutivoInsensível a espécie química

ANÁLISE DO ESPECTRO DE ENERGIA

PIXE - Particle Induced X-Ray Emission

Emissão de raios-X induzida com partículas

X ray

H+

Características Medidas absolutas em átomos/cm2

Alta sensibilidade (ppm)Alta resolução para elementos vizinhosPIXE - Eficiente para Z > SiRápido (15 min)

PIXE (Radiação Eletromagnética)

partícula leve

Emissão de raio-X (PIXE)

detetor

0

K

LM

KK

transições de dipolo

sjjs

1,00

Lei de Moseley

.

Canal

Um espectro “real”

Quantificação de cada elementoIdentificação (calibração energia/canal)Relação área de pico – número de átomos

Calibração em energiaRelação canal x energia do raio-X

150 200 250 300 350 400 450 5003

4

5

6

7

8

9

10

Reta de Calibração

Canal

Ener

gia

(KeV

)

Alvo/fonte conhecido

E, M1, Z1

M2, Z2

M, Z

Det

Y N N dd

EA F

( , )

NA = número de partículas/cm2 do alvoNF = número total de partículas do feixeddseção de choque (probabilidade)ângulo sólido

E

E

ESdE

sen

X

n

nii dE

ESeE

AN

eqQN

E

E

i

i

0

´

0

´´

´cos4

´´´´cos

0

Quantidade de raios-X detectados

Quantidade de partículas incidentesÂngulo sólido Eficiência do detector

Concentração elementar Auto absorção de Raios-X

Freamento das partículas incidentes

nii QRN

E

E

ESdE

sen

X

nii dE

ESeE

eqANR

E

E

i

i

0

´

0

´´

´cos1

4

´´´´cos

0

Alvo Espesso

Arranjo experimentalMedidas experimentais

nX

nii E

AN

eqQ

ni

0

0

cos4

nii Qrn

E

E

ESdE

sen

X

n

nii dE

ESeE

AN

eqQ

N

E

E

i

i

0

´

0

´´

´cos4

´´´´cos

0

)( 0EiX)(1

ESdE

dz

Alvo fino 1

Seção de choque de produção de raios X

Interação coulombiana entrepróton incidente e elétron ligado

Forma universal 0-1-2 1

-19

-21

-23

log( )

( )

uz

keV cm

K K2

12

2 2

log( )EuK

E - energia da projétilz1 - z do projétiluk - energia de ligação do estado kk - seção de choque de produção- massa do projétil / massa do elétron

K

L

Z

k

K (alfa)

0 20 40 60 80 100

Yef

(un

arb)

Z

K

L

0 20 40 60 80 100

Yef

(un

arb)

Z

- Eficiência do detetor Probabilidade de interação (efeito fotoelétrico) Energias mais baixas - fino Energias mais altas - espesso

X-ray energy (keV)

coun

ts

1

10

100

1000

10000

1e5

0 5 10 15 20 25

high energy X-ray detector spectrum

low energy X-ray detector spectrum

O K

Al K

Ti K V K Cr K Fe K

Ga K

T - Transmitância absorvedores entre amostra e detector + janela/ filtros (efeito fotoelétrico)

0 20 40 60 80 100

Yef

(un

arb)

Z

Previsões para o nosso arranjo experimental

Parâmetros Projétil - próton - JJ ; Absorv - 10 cm (ar) Janela - 25 m Be ; Detector - 4 mm Si

Alvos grossosPerda de energia importante (Freamento até parar)

E0

z zz z

ET

E T E dES E

0

0S - Stopping Power

Aumento nas contagens de fundoTaxa de contagem (pile-up)Bremsstrahlung SEB (secondary electron), AB (atomic), Direct B (proton)Dependente do tipo de material e energia do feixeReações Nucleares (+compton)

Limites de Detecção

Elementos traços Capacidade de identificar R-X sobre contagem de fundo

Avaliar a flutuação estatística Lim k k Cf f

k=3

k=1LC

LD

Quant

Detect

Sem id

Con

tage

m

Energia

(>10 )

Identificação de elementos traços:Processo de confecçãoProcedência / Autenticação

Moedas espanholas 1870 1890

Espectros PIXE para moedas de prata,demonstrando a diferença na composiçãode 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 ExternoAmostras Especiais

Biológicas (solução)Porosas (arqueologia)Tamanho incompatível

feixe

vácuo atmamostra

detjanela

Técnicas PIXE PIGE RBS

Fim

GeLi (20%)Ortec + anticompton

Resolução:2.5 keV para Co

Laser paraposicionamento

Si(Li)IPEN

Resolução:180 eV para 55Fe

Janela de Saída 0.5 mm Al

15.0 MeV 11.0 MeV1H