2. Metody pomiarowe z użyciem przyspieszonych jonów

2. Metody pomiarowe z użyciem przyspieszonych jonów

     Jednym z zastosowań akceleratora Van de Graaffa w Zakładzie Spektroskopii Stosowanej IFJ PAN jest analiza składu pierwiastkowego badanego materiału.

     Analizę składu pierwiastkowego wykonuje się stosując metodę fluorescencyjną PIXE (ang. Proton Induced X-ray Emission). Metoda ta polega na detekcji charakterystycznego promieniowania X wzbudzonego protonami. Rozpędzone protony wybijają elektrony z atomów pierwiastków znajdujących się w materiale badanym. Puste miejsca po wybitych elektronach zostają zapełnione elektronami z wyższych powłok. Różnica energii wiązania elektronu zostaje wypromieniowana w postaci kwantu promieniowania – następuje emisja promieniowania X, charakterystycznego dla danego pierwiastka. Zaletą tej metody jest szeroka stosowalność, przy czym szczególnie dogodna jest dla pomiarów zanieczyszczeń metalami próbek biologicznych (roślinnych, zwierzęcych), a także gleby, wody itd. Standardowe detektory Si(Li) używane w Zakładzie Spektroskopii Stosowanej pozwalają na analizę składu pierwiastków o liczbie atomowej Z >12 (np.: Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, Pb) z czułością w granicach od 0.5 do 5.0 ppm. Na Zdjęciu 3 przedstawiony jest układ pomiarowy metody PIXE stosowany w IFJ PAN.

     Jeżeli w metodzie PIXE zastosujemy wiązkę protonową o rozmiarach porównywalnych z wielkością badanej próbki, wówczas otrzymamy informację o ilościowej zawartości danego pierwiastka w całym badanym materiale. Jeżeli natomiast zastosujemy mikrowiązkę protonową (metoda μPIXE), będzie można podać konkretną lokalizację danego pierwiastka.

     Nasz akcelerator Van de Graaffa jest wyposażony w układ mikrowiązki protonowej, która pozwala na skanowanie próbki biologicznej punkt po punkcie z rozdzielczością mniejszą niż 10μm. W ten sposób uzyskujemy informację o powierzchniowym rozkładzie danego pierwiastka, otrzymujemy mapy rozkładu gęstości pierwiastków dla danego materiału badanego.

Zdjęcie 3. Komora pomiarowa wraz z tarczą i próbami pomiarowymi stosowana dla metody PIXE w IFJ PAN

     Naświetlanie próbek protonami odbywa się w próżni. Na tarczy można jednorazowo umieścić nawet kilkadziesiąt próbek i kolejno naświetlać je strumieniem protonów przez odpowiednie ustawienie tarczy. Emitowane promieniowanie X, jak również promieniowanie gamma są wychwytywane przez odpowiednie detektory, znajdujące się po obu stronach wychodzącej wiązki protonowej (Zdjęcie 3).

     Naświetlając badaną próbkę protonami, oprócz zjawiska fluorescencji wykorzystanej w metodzie PIXE, obserwujemy emisję promieniowania gamma oraz widmo wstecznego rozpraszania jonów, które można zastosować do badania odpowiednio stężenia pierwiastków lekkich oraz śladowych.

     Metodę opartą na emisji promieniowania gamma powstającego wskutek elektromagnetycznego oddziaływania protonów z jądrami atomów pierwiastków zawartych w badanym materiale nazywamy metodą PIGE (ang. Proton Induced Gamma-ray Emission). Pozwala ona wyznaczać stężenia pierwiastków lekkich, takich jak: Li, F, Na, Mg, Al.

     Protony, wnikając do badanej próbki, oddziałują z elektronami stopniowo tracąc energię i ulegają elastycznemu rozproszeniu na jądrze atomu pierwiastka. Rejestracja wstecznie rozproszonych jonów jest podstawą metody R(E)BS (ang. Rutherford (Elastic) Backscattering), która pozwala wyznaczać masę rozpraszającego jądra, a tym samym określić pierwiastek wchodzący w skład badanej próbki oraz rozkład głębokościowy koncentracji atomów.