mea métodos de exame e análise iba
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MEA – Métodos de Exame e Análise
IBA
Técnicas de análise com feixes de iões
Rui M.C. da Silva
Curso de Técnicas Nucleares para a Valorização do Património Cultural
Campus Tecnológico e Nuclear, IST, 17-18 e 24-25 de Novembro de 2016
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
IBA: técnicas de análise com feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
IBA: técnicas de análise com feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Para quê ?
Porquê ?
A quê ?
Como ?
Onde ?
IBA: técnicas de análise com feixes de iões
PIXE, RBS,…
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
MRS BULLETIN, Dezembro 1996
The Science of ArtJames Mayer and Maryan Ainsworth (guest editors)
(…) great art seems to initiate in us a curiosity about the ideas, methods and materials used by the
creators. Connoisseurship in this century has been enriched by the application of scientific analysis
methods. The results of these investigations into the physical properties of art have shed new light on
their authenticity and individual histories as well as on the craft in general. Developments in the fields
of physics and chemistry have allowed us to understand more about how we perceive and interact
with works of art.
From frescos to oil
Binders in paintings
Paper and fiber microscopy
Pottery and pigments
Cave paintings
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IAEA – CRPs 2004
PHYSICAL AND CHEMICAL APPLICATIONS
Radiochemical Applications
Identification of art objects using non-destructive nuclear analytical techniquesHistorical artefacts and art objects are traded worldwide and represent a potential source for forgery
and false labelling. The market is huge and a large part of the trade is going from developing countries to
the developed world where strict regulations can only be applied if convenient methods for checking
the authenticity would be available. Portable XRF instruments for rapid screening analysis are already
available and have been demonstrated to be useful in analysis of paintings and small artefacts.
Availability of small portable neutron generators make PGNAA facilities accessible to field work.
Laboratory based techniques such as PIXE and INAA have been applied non-destructively to investi-
gate the provenance of archaeological objects as well as neutron radiography was used to determine
different layers of precious paintings.
This CRP will bring together experts from the relevant sectors to investigate possible expansions of
existing technology to the field of art object identification on the basis of on-line trace analysis. The
group will elaborate on development of compact instruments to be provided to non-scientific staff
(police, customs, archaeologists etc.) for fast screening analysis of suspect materials. Calibration
tools and reference data will be collected for fieldwork to facilitate early identification of fakes and
wrongly declared precious objects. The results of this CRP will be provided to Member States for
preservation of national heritage and secure legal enforcement.
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IBA: técnicas de análise com feixes de iões
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Conímbriga
Com bisturi, voluntários põem mosaico romano a descoberto...
Seis voluntários trabalharam na limpeza de um painel da antiga
cidade romana do concelho de Condeixa-a-Nova. [O] passo
seguinte é a digitalização.
Camilo Soldado, 25 de Janeiro de 2018, 8:50
...
O mosaico alvo de intervenção faz parte da Casa do Tridente e
da Espada, uma residência de “gama média” para o contexto de
Conímbriga.
...
(...) acontece no âmbito do Ano Europeu do Património, resul-
tando de uma parceria entre o projecto MosaicoLab (...) e o
Museu Monográfico de Conímbriga.
...
Relativamente aos voluntários, o arqueólogo conta que, com apenas seis vagas disponíveis, o número de inscrições foi “avassalador”,
triplicando a oferta. O processo de selecção acabou por ter em conta a área académica dos candidatos, privilegiando a arqueologia ou
a conservação e restauro.(...)
A limpeza do mosaico envolve ainda o Centro de Ciências e Tecnologias Nucleares do Instituto Superior Técnico e o programa doutoral
em Conservação e Restauro da Universidade Nova de Lisboa.
...
Porquê estas técnicas ?
Informação composicional e estrutural não destrutiva/não invasiva
multielementar (PIXE, RBS…)
distribuições laterais (microssonda: m-PIXE, m-RBS)
distribuições em profundidade (RBS, NRA)
conteúdo de hidrogénio (ERD)
conteúdo de elementos específicos (PIGE, NRA)
complementar de outras técnicas
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Todos os Materiais na forma sólida…
Metais – ligas metálicas, compostos intermetálicos, amálgamas…
Óxidos – vidros, cerâmicas…
Polímeros
Compósitos – têxteis, papel…
… mas …há limitações e restrições !…
dimensões câmara de pressão ou feixe externo !
geometria e estado da superfície nada a fazer !
análise em vácuo feixe externo !
Nalguns casos,
pode-se limpar!...
A que se aplica ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Conservação e Restauro
Conhecimento dos materiais e técnicas usadas
Acções de prevenção, conservação e restauro adequadas
pela utilização de soluções idênticas ou compatíveis
Estabelecimento de antiguidade e autenticidade
Conhecimento das proveniências
Proveniência histórico-cultural: correntes culturais, artísticas …
Proveniência geográfica
Estabelecimento de antiguidade e autenticidade
Para quê ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Onde ?
Com que equipamentos ?
Com que técnicas ?
Como ?
Em que forma se apresenta a informação ?
Que informação se obtém ?
Como se obtém a informação ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Onde ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
LATR-CTN
PIXE
VG 2.5 MV
RBS
Com que equipamentos ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Magnetoanalisador
Magneto desviador
AceleradorVG 2.5 MeV
Câmara de análise
Pré-amplificador
Com que técnicas ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Partículas – 1H+, 4He+,… (1 MeV a 2,4 MeV)
Interacções – excitação de raios-X, colisões elásticas,…
análise de composição Na - U (até 10 mm a 20 μm)
PIXE – Particle Induced X-ray Emission
NRA – Nuclear Rection Analysis
RBS – Rutherford Backscattering Spectrometry
Target
chamber
Magneto desviador/analisadorMagnetoanalisador
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RBS
PIXE
Como ?
AmpMCA
feixe de iões
Pre-amp
Detectores
alvo/amostra
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Espectros !
Target
chamber
Magneto desviador/analisadorMagnetoanalisador
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RBS
PIXE
AmpMCA
feixe de iões
Pre-amp
Detectores
alvo/amostra
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Como ?
Espectros !
Como ?
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
partículas incidentes
Ionoluminescência (IBIL)
electrões
secundários
RBS
NRA
STIM
ERD / ERDA
PIXE
PIGE
Particle Induced X-ray Emmission – PIXE
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Como ?
ZAX + p Z
AX + p + X
Particle Induced Gamma Emmission – PIGE
Nuclear Reaction Analysis – NRA
ZAX + d Z−1
A−2X + α + γ
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Como ?
Rutherford Backscattering Spectrometry – RBS
ZAX + α Z
AX + α
ZAX + p Z
AX + p
Onde ? No LATR/IST (CTN)
Com que equipamentos ? Aceleradores de H+ (He+)
Com que técnicas ? PIXE (PIGE), etc...
Como ?
Em que forma se apresenta a informação ? Espectros X (g)...
Que informação se obtém ? Concentrações elementares...
Como se obtém a informação ? Irradiação da amostra com H+...
Detecção dos fotões X emitidos...
Análise dos espectros de raios X.
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Sensibilidade: governada pela secção-eficaz ( Zn)
Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
limites de
detecção
20 40 60 80
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
2 MeV p PIXE L
2 MeV p PIXE K
secção e
ficaz/b
·sr
1
número atómico Z
29Cu26Fe
13Al14Si
25 keV1,5 keV
47Ag42Mo35Br
74W82Pb
1,5 keV 15 keV
PIXE
20 40 60 80
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
2 MeV 1H RBS
se
cção
efica
z/b
·sr
1
número atómico Z
2 MeV 4He RBS
Sensibilidade: governada pela secção-eficaz ( Z2)
RBS
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
limites de
detecção
Aspectos a tratar:
– feixes de iões:
objectivos do seu emprego, modos de produção, equipamento: aceleradores
de partículas, detectores, espectros
– interacções das radiações com a matéria:
dispersão elástica, coulombiana e não coulombiana: RBS, ERD
reacções nucleares: NRA, PIGE (excitação de radiação g)excitação de radiação X: PIXE
– informação obtida e complementaridade c/outras: capacidades específicas e
limites de detecção (condições em que se podem atingir). Limitações.
– aplicações especiais: exploração lateral, microssonda nuclear.
Considerações p/aplicação especiais: feixes externos vs. feixes em vácuo..
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Análise de materiais por técnicas nucleares usando feixes de iões
Multielementar para Z > 11 (Na)
Não destrutiva(1)
Sensibilidade razoável
{(0,5 - 4) ppm, < 10 ppm}
Análise superficial (10 µm a 30 µm) cuidado com a pátina
Quantitativo
Precisa (~ 5%)
Rápida (< 20-30 min.)
Absoluta não precisa de padrões
PIXE: características da Técnica - I
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x Só analisa a região superficial (< 10 µm a 30 µm)
x Só analisa elementos (insensível à química )
Permite análise de regiões microscópicas microssonda
Permite análise à pressão atmosférica feixe externo
Combina-se facilmente c/outras TFI’s PIGE, RBS, ERD, NRA,…
x Não mede H, C, N ou O
x Não tem informação em profundidade
x Impõe uma superfície homogénea e plana
x Necessita de um acelerador de partículas investimento muito elevado
x (1) Pode ser destrutiva para materiais sensíveis a calor e ionização
p.ex. compostos orgânicos precauções!
PIXE: características da Técnica - II
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Multielementar para Z > 2 (Li)
Não destrutiva(1)
Sensibilidade razoável (pobre comparada com PIXE )
{(10 - 1000) ppm, < 1%}
Análise superficial (0,01 µm a ~1 µm) cuidado com a pátina
Quantitativa
Precisa (~ 5%)
Rápida (< 20-30 min.)
Absoluta não precisa de padrões
Tem informação em profundidade
Sim o conceito pode ser
aparentemente polémico...
RBS: características da Técnica - I
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
x Só analisa a região superficial (< 1 µm) /
x Só analisa elementos (insensível à química )
Permite análise de regiões microscópicas microssonda
Permite análise à pressão atmosférica feixe externo
Combina-se facilmente c/outras TFI’s ERD, PIXE/PIGE, NRA,…
x Não mede H (mas ERD mede ); pouca sensibilidade a … C, N, O
x Impõe uma superfície homogénea e plana
x Necessita de um acelerador de partículas investimento muito elevado
x (1) Pode ser destrutiva para materiais sensíveis a calor e ionização
p.ex. compostos orgânicos precauções!
Não é necessariamente mau... p.e.se quisermos analisar apenas umaregião microscópica..
RBS: características da Técnica - II
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
alvo colimadores
Detector de raios-X
Feixe
Ângulo de
detecção, q
Raios-X
PIXE
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alvo colimadores
Detector de partículas
Feixe
Ângulo de
dispersão, q
Feixe
disperso
q
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RBS
135º
150º
conceitos:
factor cinético
secção eficaz de dispersão
poder de paragem (stopping power)
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RBS
id. elementos
𝐸1 = 𝑘2𝐸0
conceitos:
factor cinético
secção eficaz de dispersão
poder de paragem 𝑘2 =𝑀1 ∙ cos 𝜃 + 𝑀2
2 −𝑀12 sin 𝜃 2
𝑀1 +𝑀2
2
𝑘2 = 𝑓(𝜃,𝑀1, 𝑀2)
É sensível à massa dos
elementos !...
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RBS
Detector 100% eficiente...
med. concentrações
𝑌2 = 𝜎2𝑄𝑁2
𝜎2 = 𝑓(𝜃, 𝑍1, 𝑀1, 𝑍2 , 𝑀2)
conceitos:
factor cinético
secção eficaz de dispersão
poder de paragem𝜎2 =
𝑍1𝑍2𝑒2
4𝐸
2
∙4
sin 𝜃 4∙cos 𝜃 + 1 − 𝑀1/𝑀2 2 sin 𝜃 2
2
1 − 𝑀1/𝑀22 sin 𝜃 2
𝜎2 ∝𝑍22
𝐸2
É sensível à quantidade
(concentração) ...
RBS
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20 40 60 80
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
2 MeV 1H RBS
se
cção
efica
z/b
·sr
1
número atómico Z
2 MeV 4He RBS
med. espessuras
∆𝐸2= 𝑆 2∆𝑡
= [ε]2𝑁2∆𝑡
∆𝐸2/ 𝑆 2 = ∆𝑡
conceitos:
factor cinético
secção eficaz de dispersão
poder de paragem
É sensível à extensão da
distribuição...
RBS
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Secção eficaz e coef. cinemática: rendimento relativo e separação energética...
Rendim
ento
rela
tivo
Maior Z2 maispróximos (mais
"empacotados")..
Maior Z2 maisrendimento (mais
"alto" para a
mesma
quantidade)...
RBS
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
200 400 600 800 1000
Channel
0
1000
2000
3000
4000
5000
Co
un
ts
0.5 1.0 1.5 2.0
Energy (MeV)
Au: espessura/1017 cm2
1 ( 17 nm)
2 ( 34 nm)
5 ( 85 nm)
10 (170 nm)
20 (340 nm)
Espectros de RBS… do fino ao espesso…
RBS… o efeito da espessura…RBS
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Espectros de RBS… da incidência normal à inclinada…
RBS… o efeito da inclinação…
200 400 600 800 1000
Channel
0
1000
2000
3000
4000
5000
Co
un
ts
0.5 1.0 1.5 2.0
Energy (MeV)
Au, 2x1017 cm2, em Si
0º
40º
60º
Use a inclinação p/identificar
• Elementos à superfície
• Elementos/camadas em
profundidade
RBS
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
RBS… o efeito da inclinação…
200 300 400 500 600 7000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tilt angle:
0º
40º
55º
Calibration sample
E = 2.0 MeV, i
= 3 nA, Q = 2 mC, 165º
yie
ld (
coun
ts/1
03)
channel number
Pt
SiMn
200 300 400 500 600 7000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tilt angle:
0º
40º
55º
Calibration sample
E = 2.0 MeV, i
= 3 nA, Q = 2 mC, +165º
yie
ld (
counts
/10
3)
channel number
SiMn
Pt
… mas escolham com cuidado!
RBS
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
RBS… o efeito da concentração…
200 300 400 500 600 7000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
experim.
Simulations:
Pt1Mn
1
Pt0.87
Mn1
Calibration sample
E = 2.0 MeV, i
= 3 nA, Q = 2 mC, +165º
yie
ld (
co
un
ts/1
03)
channel number
Pt
SiMn
… algo sensível à “estequeometria” !
RBS
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
RBS – exemplo
Filme: 654x1015 /cm2 (~0.12 mm) de Zn0.9In0.11O Substrato: SiNa0.45Ca0.11O2 (vidro)
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)
In
Zn
ZnInO
2 MeV
He+
O
Si
Ca
Na
Energia
canal
ren
dim
ento
(conta
gen
s/100) vidro
Info: inc. normal
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
1,7401,5650,720
0,870
0,360
0,782
1,281,080,94
Info: espectros obtidos c/inclinação revelam só as estruturas marcadas não se deslocam
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
1,7401,5650,720
0,870
0,360
0,782
1,281,080,94Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
1,7401,5650,720
0,870
0,360
0,782
1,281,080,94Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
1,7401,5650,720
0,870
0,360
0,782
1,281,080,94Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
1,7401,5650,720
0,870
0,360
0,782
1,281,080,94Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
1,281,080,94
O0,060
0,060
1,3401,1270,990
0,6700,563
0,495
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
1,281,080,94
O0,060
0,060
1,1270,990
0,6700,563
0,495
Ca
Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
1,340
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
1,281,080,94
O0,060
0,060
1,1270,990
0,6700,563
0,495
Si
Ca
Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
1,340
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
1,281,080,94
O0,060
0,060
1,1270,990
0,6700,563
0,495
Na
Si
Ca
Elemento k = E1/E0
Pb 0,9256
In 0,8698
Zn 0,7825
Fe 0,7504
Ca 0,6698
Si 0,5633
Na 0,4948
O 0,3597
N 0,3086
1,340
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
O0,060
0,060
Na
Si
Ca
0,060
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
52
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
O0,060
0,060
Na
Si
Ca 10
33,5
230In 10
4
[ ]0,11
Z[ 3,5 9n 3]
Filme: 654x1015 /cm2 (~0.12 mm) de Zn0.9In0.11O Substrato: SiNa0.45Ca0.11O2 (vidro)
3
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
230In 10
4
[ ]0,11
Z[ 3,5 9n 3]
249[O] 3
11[ ] 8In 10
In[O] [O] [ ]11 0,11 1, 2
[ ] [ ] [ ]Zn n ZnI
Calculando para o O…
Normalizando para [O] = 1 e recalculando…
[O]:[ ]:[ ] 1:0,09:ZnI 3n 0,8
Filme: 654x1015 /cm2 (~0.12 mm) de Zn0.9In0.11O Substrato: SiNa0.45Ca0.11O2 (vidro)
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
As perdas de energia calculam-se…
ε A𝑚Bn = 𝑚 ∙ ε A + 𝑛 ∙ ε B∆𝐸2= [ε]2𝑁2∆𝑡 com
ou procuram-se em tabelas...
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
In
Zn
O0,060
0,060
Na
Si
Ca
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
0,720
In
Zn
0,94
0,060
0,060
Calculando os factores de paragem…
17 2
18 2
1
60 keV6,52 10 cm
92 10 keV cm
60 keV0,12 μm
500 keV μm
N t
t
0,9
0
15
0,11
0,1
2
,9
1
1
[ ]
[ ]
O 92 10Zn
Zn
eV cm
O 500 keV μ
In
In m
E N t
E S t
S
Filme: 654x1015 /cm2 (~0.12 mm) de Zn0.9In0.11O Substrato: SiNa0.45Ca0.11O2 (vidro)
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
100 200 300 400 500 600
Channel
0
5
10
15
20
25
30
35
No
rmal
ized
Yie
ld
0.5 1.0 1.5
Energy (MeV)
In
Zn
ZnInO
Glass 2 MeV
He+
O
Si
Ca
Na
Energia
canal
ren
dim
ento
(co
nta
gen
s/100)
vidro
Filme: 654x1015 /cm2 (~0.12 mm) de Zn0.9In0.11O Substrato: SiNa0.45Ca0.11O2 (vidro)
RBS – exemplo
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Quando RBS não chega, o que fazer?… talvez PIXE…
100 200 300 400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
200 nm 100 nm
135 nm
165 nm
L15F4
no coating
data
sim.
w/ coating
data
sim.
yie
ld (
co
un
ts/1
04)
channel number
Au
O
Si
300 nm
2 4 6 8 10 12 14 161
10
102
103
104
105
Ba
AuAg_p c/ PSZ
AuAg_p s/ PSZ
inte
nsid
ade (
u.a
.)
Energia/keV
Si
Pb
PbPbAu
Au
Au
K
Pb
Au
Ba
Ba
Dos espectros -RBS (esq.)...
1. “duas camadas” de “Au” no vidro;
2. espessura total ~300 nm;
3. recobrimento (~300 nm de SiO2);
Dos espectros de PIXE-microssonda (dir.)...
1. recobrimento rico em Si (cf. EX = 1,74 keV);
2. composição de de vidro com Pb
RBS – exemplo II
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
400 450 500 550 600 650 7000
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
A1
A2
A3
A4
yie
ld (
co
un
ts/1
03)
Canal
Au
Ag
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410
0
101
102
103
104
105
Au
Zn
Ni
Fe
K
Pb K
Ba
Si
Ag
A1
A1
A2
A3
A4
yie
ld (
co
un
ts)
EX/keV
AuPb
Espectros de RBS (esq.) e PIXE (dir.) obtidos por irradiação com iões 1H+ de amostras produzidas
por spin coating de 150 mL de tintas de Au-Ag e Au-Pd, sobre vidro e quartzo. .
RBS – exemplo II
Quando RBS não chega, o que fazer?… talvez PIXE…
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Mapas de distribuição de Ag (esq.) e Au (dir.), como registados através das intensidades das
correspondentes radiações L.
São claramente visíveis aglomerados de Ag (em contraste a distribuição de Au é homogénea).
... frequentemente a combinação é melhor!
RBS – exemplo III
Quando RBS não chega, o que fazer?… talvez PIXE…
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Detecção de elementos de Z2 < Z1 – exemplo: detecção de H com He…
RBS
– As partículas detectadas são os
iões do feixe do acelerador
– A informação sobre massas e
profundidades estão contidas nas
partículas detectadas
ERDA
– As partículas detectadas são os iões que
recuam do alvo
– A informação sobre as profundidades está
contida na energia desses iões que recuam
4He
4He
1H
16O 56Fe
ϑ >π
2
4He
1H
4He16O 56Fe
ϑ <π
2
ERDA – uma alternativa
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Detecção de hidrogénio (um exemplo)…
150 200 250 300 350 400 450 5000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
M1
B2
conta
gens/1
04
canal
400 500 600 700 800 900 1000
energia (keV)
20 60 100 140 180 220 2600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
M1
B2
conta
gens/1
00
canal
100 200 300 400 500 600
energia (keV)
Detecção de H em películas de Si-O-H depositadas em Si
Si(Si-O-H) H(Si-O-H)
H(Si) H(Si)Si
SiO(Si)
O(Si-O-H)
ERDA – uma alternativa
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
TFI: RBS e ERDBibliografia
ION-SOLID INTERACTIONS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS, MICHAEL NASTASI, JAMES W. MAYER, JAMES
K. HIRVONEN, Cambridge Solid State Science Series, Eds. D. R. Clarke, S. Suresh, I. M. Ward, Cambridge University
Press, 1996. ISBN 0 521 37376 X
Backscattering Spectrometry, WEI-KAN-CHU, JAMES W. MAYER, MARK-A. NICOLET, Academic Press, 1978.
ISBN 0 521 37376 X
Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis, Leonard C. Feldman, James W. Mayer, North-Holland,
Elsevier Science Publishing, Co., 1986
Handbook of modern Ion Beam Analysis, Eds.: Joseph R. Tesmer, Michael Nastasi, contributing eds.: J. Charles
Barbour, Carl J. Maggiore, James W. Mayer. MRS, Materials Research Society, 1995. ISBN 1 55899 254 5
Materials Analysis using a Nuclear Microprobe, Mark B.H. Breese, David N. Jamieson, Philip J.C. King,
John, Wiley & Sons, Inc., 1996. ISBN 0 471 10608 9
Ion Beam Analysis Table of the Elements, B. Doyle, D. Walsh e J. Banks, U.S. DOE User Facility 975, Ion
Beam Materials Research Laboratory, Sandia National Laboratories in www.sandia.gov/1100/1111/Elements/tablefr.htm
WWW: http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_backscattering_spectrometry
INSTRUMENTATION FOR PIXE AND RBS, IAEA, VIENNA, 2000, IAEA-TECDOC-1190, ISSN 1011–4289, também em:
http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1190_prn.pdf
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
PIXE
• Primeiro artigo de PIXE 1970
• Multielementar (Z > 11)
• Rápido (20-30 min.)
• quantitativo (ao nível de ppm ou menor)
• materiais, metalurgia, geologia, arqueologia...
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Qualidade da análise
Região do objecto a analisar homogénea e plana
Domínio adequado das condições de medida:
Número de partículas que irradiaram o alvo
Energia das partículas
Geometria de detecção: ângulo sólido, orientação, eficiência do detector
Absorção pelos materiais
Conhecimento dos mecanismos de PIXE (programa de análise):
Rendimento de emissão X
Perda de energia no alvo
Absorção dos raios-X na matéria, fluorescência (secundária)
Concentrações elementares com precisões da ordem de 5 %
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
135º
150º
conceitos:
energia dos raios-X característicos
secção eficaz de emissão
atenuação (absorção)
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
PIXE
Os níveis de energia electrónicos (do Pb) e as suas designações…
1s2
2s2
4s2
3s2
5s2
3p6
2p6
4p6
5p6
3d10
4d10
5d10
4f14
… os níveis
de energia...
1 0
2 0,1
3 0,1,2
4 0,1,2,3
5 0,1,2...4
n l = 0 ... n – 1
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
… as transições radiativas
mais importantes…
As transições radiativas principais (raios-X)
do Pb e as suas designações…
…
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
Secção eficaz de ionização da camada
K por colisão com protões
: razão entre a energia incidente
(do ião projéctil) e a energia de
ligação dos electrões na camada
: razão entre as massas do protão e
do ião projéctil
K
B
E
E
1
pM
M
… protões (em geral) !
A escolha da energia
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
A escolha da energia
A secção eficaz de produção de raios-X em função da energia …
A secção eficaz de produção de
raios-X K vs. Ep [Cahill 1980]
,Ca
,Ca
(4 MeV)2
(2 MeV)
K
K
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
A escolha da energia
A secção eficaz de produção de raios-X em função da energia …
A secção eficaz de produção de
raios-X K vs. Ep [Cahill 1980]
,Br
,Br
(4 MeV)5
(2 MeV)
K
K
,Ca
,Ca
(4 MeV)2
(2 MeV)
K
K
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
A influência de Z
A secção eficaz de produção de raios-X em função da energia …
A secção eficaz de produção de
raios-X K vs. Ep [Cahill 1980]
,Ca
,Br
(2 MeV)35
(2 MeV)
K
K
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
,Ca
,Br
(4 MeV)15
(4 MeV)
K
K
A secção eficaz de produção de raios-X em função da energia …
A secção eficaz de produção de
raios-X K vs. Ep [Cahill 1980]
,Ca
,Br
(2 MeV)35
(2 MeV)
K
K
A influência de Z
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
A influência da profundidade de origem – alcance (e produção)
Variação dos alcances de protões (e iões He+) em diferentes materiais, com diferentes energias
PIXE
p (1H+) / (4He+) t/mm
1,6 MeV 2,0 MeV 2,4 MeV
Mg (1,7 gcm3) 42 7,4 60 9,4 81 11,6
Al (2,7 gcm3) < 30 5,3 42 6,7 < 57 8,3
Si (2,3 gcm3) 33 5,6 47 7,3 < 64 8,9
Ti (4,7 gcm3) 21 3,7 30 4,7 < 41 5,8
Al2O3
(3,55-4,02 gcm3)
18 3,3 < 26 4,2 < 35 5,1
Cu (8,9 gcm3) 13 2,9 < 19 3,6 24,5 4,3
Au (19,3 gcm3) 11 2,3 15 2,9 19,5 3,5
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A influência da profundidade de origem - absorção
Variação das intensidades de raios-X com a profundidade para baixas concentrações de Cl e Fe
em matriz de cobre (alcances de 6,5 mm, 18 mm e 34 mm respectivamente)
Raios-X mais energéticos (e.g.os K do Fe vs.Cl mais K vs. L da Ag) podemprovir de maiores profundidades... "enganando" uma análise directa (parecehaver p.ex.+Fe vs. Cl do que na realidadehaverá...)!
PIXE
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Energia
A ionização das camadas internas Vp ~ vel Ep ~ MeV.
No LATR-IST/CTN (Portugal) Ep ~ 2,2-2,5 MeV. No AGLAE/CR2MF (França) Ep ~ 3 MeV
Profundidade sondada (depende da composição) em geral < 10 mm - 30 mm
A ionização depende de Ep e de Z do alvo: para um dado elemento aumenta com Ep e para
partículas com uma dada energia a ionização provocada diminui quando Z aumenta ∝ 𝑍−4
Intensidade
Menos de 1 partícula incidente em 1000 provoca ionização...
Feixe de 1010 protões/s (~1.6 nA) fluxo de 1000 raios-X/s (em detector com ~10 msr)
1 nA (pouco intenso) ausência de danos nas análises de PIXE
Dimensões
“Tamanho” do ponto de impacto do feixe no objecto ~1 mm. Para análise dos detalhes mais
pequenos (em manuscritos, inclusões em pedras preciosas) pode focar-se a ~50 µm ao ar, ou
~1µm -2 µm em vácuo (microssonda)
A escolha do feixe e da energia...
PIXE
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Eficiência de detectores de Si(Li) com diferentes janelas
3
1
Eficiência absoluta:
[1 ]4
i i
i Si Si
dd
esce f e
m
m
, : janela de Be
camada "morta"
contacto de Au
: escape de Si
i i
esc
d
f
m
Cs, Ba
A escolha dos detectores...
PIXE
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A importância da resolução
A escolha dos detectores...
Pior
Melhor Melhor
PIXE
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Espectro de PIXE com os fotopicos K e K do Mn, picos de escape, caudas de baixa energia e fundo
Artefactos - picos de escape e fundos (background)...
fundo
fotoeléctricos
escapes1.74 keV
PIXE
número de canal
Inte
nsid
ade (
co
nta
gens)
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SEB
AB
QFEB
PIXE
SEM/EDS
Artefactos - os fundos (background)...
5 10 15
101
102
103
104
CuK
face 1
face 2
CuK
FeK
Si
inte
nsid
ad
e (
u.a
.)
energia (keV)
0 200 400 600 800 100010
-4
10-3
10-2
10-1
100
101
Ca K
Ag? Sn? L
Fe K
Cu K
X-r
ay y
ield
/10
4 (
co
un
ts)
channel number
Cu K
Cu-red glass analyzed PIXE with Ep = 2.0 MeV
CaPIXE
XRFfundo contínuo
da fonte
PIXE
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Artefactos...
• Riscas espectrais K e L (e M) picos fotoeléctricos
• Picos de Rayleigh (dispersão elástica)
• Picos de Compton (dispersão inelástica)
• Picos de Escape (1,74 keV para det. Si)
• Picos de Soma
• Bremstrahlung (fundo)
… de que a análise terá que “dar conta”!
PIXE
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PIXE
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O resultado "por elemento"...
from http://www.elementalanalysis.com/services/proton-induced-x-ray-emission-pixe/
PIXE
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O resultado "por elemento" (em forma gráfica)...
0.1
1
10
100
1000
HH
e Li
Be B C N O F
Ne
Na
Mg Al
Si P S Cl
Ar K
Ca
Sc Ti V Cr
Mn
Fe
Co Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se Br
Kr
Rb Sr Y Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd In Sn
Sb teI
Xe
Cs
Ba
La
Ce Pr
Nd
Pm
Sm Eu
Gd
Tb
Dy
Ho Er
Tm Yb
Lu Hf
Ta W Re
Os Ir Pt
Au
Hg Tl
Pb Bi
Po
As
Rn Fr
Ra
Ac
Th
Pa U
LD's em PIXE (em µg/g)
PIXE
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Desde que se tenha cuidado em lidar com os artefactos...
• Riscas espectrais K e L (e M) picos fotoeléctricos
• Picos de Rayleigh (dispersão elástica)
• Picos de Compton (dispersão inelástica)
• Picos de Escape (1,74 keV para det. Si)
• Picos de Soma
• Bremstrahlung (fundo)
… na análise dos espectros !
Desde que se conheçam as energias dos raios-X característicos...
… de cada elemento !
PIXE
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Um espectro de PIXE é uma sobreposição ou
combinação de espectros individuais cada um
caracterísitco de um elemento da amostra...
Juntos, ponderados por factores proporcionais
à concentração de cada elemento, contribuem
para o espectro total: o espectro de PIXE dessa
amostra...
PIXE
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Um espectro de PIXE é uma sobreposição ou
combinação de espectros individuais cada um
caracterísitco de um elemento da amostra...
Juntos, ponderados por factores proporcionais
à concentração de cada elemento, contribuem
para o espectro total: o espectro de PIXE dessa
amostra...
As riscas espectrais características são a chave
da análise:
a posição horizontal de cada risca identifica
o elemento (Z)
a altura (intensidade) de cada risca depende
da concentração do elemento a que corres-
ponde...
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2
0 1
μ / cos
0
Alvo fino (perdas de energia e atenuação podem desprezar-se...)
ε σ ( ) / sin
espessura, eficiência, secção eficaz de produção de raios-X...
Alvo espesso:
ε ( )σ ( ( ))
resoluç
i i
dx
i i
Y Q N E x
Y Q N x E x e dxq
q
ão directa (conhecidos: perdas de energia, componentes-"traço"...)
senão... iterações para determinar a composição da matrix
depende da distribuição
em profundidade, N (x)
depende da composição
da matriz, {Ni (x)}...
depende da energia, E(x)
cos
PIXE – quantitativo: os cálculos
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Para um alvo espesso, e uma vez que o espectro é uma distribuição em energia
os cálculos efectuam-se no domínio da energia... e complicam-se "um pouco"...
𝐼 𝑍 = 𝑄𝑁𝐴𝑣𝐴𝑍𝑏𝑍𝜔𝑍𝐶𝑍
𝐸0
𝐸𝑓𝜎𝑍 𝐸 𝑇𝑍 𝐸
𝑆 𝐸𝑑𝐸
𝐼 𝑍 = 𝑄𝑁𝐴𝑣𝐴𝑍𝑏𝑍𝜔𝑍
𝐸0
𝐸𝑓𝐶𝑍 𝐸 𝜎𝑍 𝐸 𝑇𝑍 𝐸
𝑆 𝐸𝑑𝐸
ou...
onde... 𝑇𝑍 𝐸 = 𝑒𝑥𝑝 −𝜇
𝜌𝑍,𝑀
cos𝜙
cos 𝜃
𝐸0
𝐸𝑓𝑑𝐸
𝑆 𝐸
𝜇
𝜌𝑍,𝑀
=
𝑖=1
𝑛
𝐶𝑖𝜇
𝜌𝑖
e
... os computadores resolvem!...
o que se procura saber...
o que se tem (espectro)...
PIXE – quantitativo: os cálculos
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A pré-análise...
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O programa de análise
permite
separar riscas sobrepostas
determinar o fundo e quantificar as intensidades espectrais
estabelecer correspondências entre intensidades das riscas concentrações dos elementos
(cálculos complexos)...
A análise...
PIXE
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O programa de análise
simula os espectros teóricos nas condições de análise, tendo em conta...
perdas de energia e variação da excitação ao longo do percurso
efeitos de matriz (auto-absorção e fluorescência secundária)
… por ensaios sucessivos, optimizando as concentrações até…
… coincidência com os espectros experimentais encontrada a composição do objecto
A análise...
PIXE
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O programa de análise
simula os espectros teóricos nas condições de análise, tendo em conta...
perdas de energia e variação da excitação ao longo do percurso
efeitos de matriz (auto-absorção e fluorescência secundária)
… por ensaios sucessivos, optimizando as concentrações até…
… coincidência com os espectros experimentais encontrada a composição do objecto
A análise...
PIXE
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Semelhanças e diferenças com XRF...
Instrumento EDXRF convencional com detector Si(Li)
PIXE
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Semelhanças e diferenças com XRF...
Instrumento PIXE convencional com detector Si(Li)
feixe Ep ~ 2,2-2,5 MeV
PIXE
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O problema...
PIXE
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Studies of the smalts used in filigrana glass
António Pires de Matos1*, Augusta Lima1, Cesare Toffolo2, Gianni Seguso2, Joaquim Marçalo4, Luís C. Alves5, Rui C. da Silva5
1 VICARTE, Research Unit “Glass and Ceramics for the Arts”, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516, Monte da
Caparica, Portugal; 2 Cesare Toffolo, Fondamenta Vetrai, 37, 30141 Murano, Venezia, Italy;3 Seguso Gianni, Fondamenta Serenella, 3 , 30141 Murano, Venezia, Italy;4 C2TN, IST, Universidade de Lisboa, Estrada Nacional 10, 2695-066 Bobadela, Potugal;5 DECN, IST, Universidade de Lisboa, Estrada Nacional 10, 2695-066 Bobadela, Potugal
The filigrana glass has been used in Murano since the 16th century and now several studios and factories are
making reproductions of ancient glasses. A few examples of filigrana glass objects made in the XXI century by
Muranese Masters are shown.
For the filigrana work they have been using “smalt”, a white glass, which production is now forbidden as it
contains arsenic. A new smalt formulation, without arsenic, is not so good. When the canes are made by stretching
the glass, the white colour fades slightly and so, its use for reproduction of historical pieces and creation of new
objects is not so satisfactory. The elimination or substitution of arsenic is a major problem as it is very difficult to
develop a “smalt” with the same optical and physical properties as the original one.
Samples of both smalts were compared regarding the different intensities of transmitted light. In order to
understand the differences between the two smalts their analytical characterization was made using micro-XRF
spectroscopy, micro-PIXE, Rutherford Backscattering and Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass
Spectrometry, and the results are presented and discussed.
Os espectros (RBS) e resultados (+ PIXE)...
PIXE
R.C. da Silva, Dep. Eng.ª Ciências Nucleares, IST(rmcs@ctn.tecnico.ulisboa.pt) MEA 2020-2021
0
1
2
3
4
5
100 400 700 10000
1
2
3
4
5
6
C
As
Si
SA1
SM1
SM3
yie
ld (
cou
nts
/10
3)
channel number
Pb
O
100 400 700 10000
1
2
3
4
5
6
7
Na9.87
Al3.33
Si21.44
P0.65
Cl0.14
K1.62
Ca0.59
Fe0.01
Zn0.42
Pb2.81
O59.10
C
Si
data
sim
yie
ld (
cou
nts
/10
3)
channel number
O
smalt à la façon moderne #3
and composition from PIXE
Pb
Zn
2.4-3.0 VarMultiScat
O problema...
IBA
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Studies of borosilicate glasses for continuing glass art traditions(...)
New formulations from different makers based on borosilicate glasses with different element additions are
sought to replace banned chemical elements while preserving or even enhancing glass qualities....
The successful elimination of arsenic, cadmium, selenium and other elements is a major challenge demanding the
discovery of suitable substituents yet to be found...
Samples of US American and Chinese makers were compared regarding the differences in chemical composition
through PIXE, Rutherford Backscattering and Nuclear Reactions...
V3.X
V3.2
V3
USA CINV3.X
V3 V3.2
USA CIN
Fotografias sob luz normal (à esquerda) e iluminação ultra-violeta (à direita), obtidas das amostras analisadas, como identificadas).
Os espectros (NRA + PIXE) e resultados...
PIXE
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Os espectros (NRA + PIXE) e resultados...
NRA
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Os espectros (NRA + PIXE) e resultados...
NRA
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Os espectros (NRA + PIXE) e resultados...
NRA
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Multi-analytical approach to the characterisation of mortars from Roman mosaics: a case-study from
Conimbriga
Os espectros (NRA + PIXE) e resultados...
NRA
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100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
yie
ld (
co
un
ts/1
03)
X Axis Title
Multi-analytical approach to the characterisation of mortars from Roman mosaics: a case-study from
Conimbriga
C
O
Ca
Mg
Permitiu a detecção de C depositado
como revestimento condutor para a
análise por SEM:
O C não é detectado por PIXE mas
interfere! É detectado por p-RBS…
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