Spettro X

“Sviluppo di uno spettrometro ED-XRF innovativo, sia dal punto di vista hardware che dal punto di vista software, per l’analisi delle leghe metalliche e la determinazione dello spessore dei rivestimenti galvanici”

Scopo del progetto SpettroX è quello di sviluppare uno spettrometro con caratteristiche innovative che permetta di migliorare la precisione delle misure eseguite con la tecnica della fluorescenza a raggi X e ampliarne di conseguenza le possibilità di impiego.

In particolare il progetto punta a implementare soluzioni di calcolo innovative allo scopo di:

1. eseguire analisi accurate ed affidabili quanto quelle degli strumenti attualmente presenti sul mercato, ma utilizzando i rivelatori a stato solido che permettono di svincolare in larga misura il processo di analisi dall'utilizzo dei campioni standard certificati;
2. trattare correttamente la presenza di elementi leggeri nei campioni analizzati anche senza eseguire misure in atmosfera di elio, in maniera tale che non venga alterata la precisione della misura degli spessori (nel caso di rivestimenti su plastica o alluminio) e sia possibile dare una stima della loro percentuale (nel caso di campioni bulk);
3. mettere in ogni caso a punto algoritmi di calibrazione dell’analisi che permettano, qualora si disponga di campioni certificati, di incrementare la precisione dell’analisi utilizzando una versione modificata del metodo dei parametri fondamentali, che tenga conto dei risultati ottenuti sui campioni standard.

Stato dell’arte

La fluorescenza di raggi X è una tecnica non distruttiva che consente di determinare la composizione chimica di un campione attraverso l’analisi dello spettro di fluorescenza emesso dal campione stesso quando viene irradiato con raggi X sufficientemente energetici.
Quando infatti un atomo è irradiato con radiazione elettromagnetica, di energia tipicamente dell’ordine del KeV, è in grado di assorbire un fotone incidente e di espellere un elettrone dalle shell più interne (fotoelettrone). Il riarrangiamento dei rimanenti elettroni tra i vari livelli dell’atomo comporta l’emissione di un fotone X la cui energia, minore dell’energia della radiazione eccitatrice, èècaratteristica dell’atomo emettitore.

Le determinazioni quantitative sono in genere effettuate mediante il cosiddetto metodo dei parametri fondamentali, che consiste nell’utilizzare le equazione che governano il fenomeno fisico della fluorescenza per riprodurre l’intensità dei picchi relativi ai vari elementi.

L’applicazione più diffusa della fluorescenza a raggi X è quella industriale, ad esempio nelle azienda che si occupano di recupero metalli, nelle azienda metalmeccaniche ed in quelle che si occupano di trattamento superficiale dei metalli. Essendo un metodo non distruttivo, negli ultimi anni sta trovando proficuo impiego anche nel settore dei beni culturali.

Negli strumenti ED-XRF, ai quali fa riferimento il presente progetto, i raggi X vengono raccolti da un rivelatore, che può essere a gas (contatore proporzionale) o a stato solido (Si pin oppure Silicon drift Detector, SDD), che trasforma i fotoni in impulsi elettrici, che vengono poi inviati ad un analizzatore multicanale in grado di discriminarli in base alla loro energia (Fig.2).

In entrambi i casi si ottiene uno spettro in cui ogni picco corrisponde ad una energia caratteristica dell’atomo emettitore. Dall'identificazione dei picchi si deduce la presenza nel campione di determinati elementi.

Obiettivi del progetto

Il presente progetto punta a realizzare una significativa innovazione nel settore della spettrometria di fluorescenza di raggi X, con l’obiettivo di rendere la tecnica sempre più affidabile attraverso l’introduzione di soluzioni tecnologiche avanzate, pur mantenendo un costo per l’utente finale che sia competitivo.

Quantitativamente, questi sono i risultati che vogliono ottenere:

1. Realizzazione di uno spettrometro a fluorescenza di raggi X che utilizzi un rivelatore a stato solido (preferibilmente un rivelatore SDD, Silicon Drift Detector) per l’acquisizione dei segnali di fluorescenza. I rivelatori a stato solido, infatti, garantiscono un’ottima risoluzione energetica, anche inferiore ai 150 eV nel caso degli SDD, e stanno diventando sempre più competitivi dal punto di vista del prezzo; di conseguenza, è oggi pensabile di poter equipaggiare con questo tipo di rivelatori anche gli strumenti destinati ad applicazioni di largo impiego, in quanto il rapporto qualità/prezzo diventa sempre più favorevole rispetto a quello dei contatori proporzionali, economici ma con pessima risoluzione energetica. Queste sono le caratteristiche di massima del prototipo da realizzare:
   
   
   1. Tubo radiogeno:
      1. Alta tensione: almeno 40 kV;
      2. Potenza: fino ad un massimo di 50 W;
      3. Collimatore da 1.0-1.2 mm di diametro.
   
   
   2. Rivelatore: Si PIN oppure SDD, in ogni caso con risoluzione inferiore a 200 eV all’energia della riga Kα del Fe (6.40 KeV);


2. Implementazione di metodi analitici innovativi per la determinazione della concentrazione di elementi leggeri nei campioni. Gli elementi leggeri emettono fotoni caratteristici di energia così bassa che sono assorbiti dall’aria prima di poter raggiungere il rivelatore, e non è possibile, pertanto, rivelarli direttamente. Nell’ambito del presente progetto, tuttavia, si vogliono sfruttare i fenomeni di scattering coerente ed incoerente, che sono particolarmente significativi per gli elementi a basso numero atomico Z, per determinare la concentrazione complessiva degli elementi leggeri presenti nel campione. Ciò è particolarmente utile quando si devono analizzare leghe di alluminio o magnesio, ma anche quando si considerano leghe di metalli più pesanti che hanno però concentrazioni importanti di silicio e/o allumino (ad esempio le leghe di titanio, i bronzi al silicio e all’alluminio, alcuni acciai e alcune tipologie di leghe di nichel).
   Da un punto vista quantitativo, l’obiettivo è quello di determinare la concentrazione complessiva degli elementi leggeri con un errore non superiore al 2%.


3. Mettere a punto algoritmi di calibrazione dell’analisi che permettano, qualora si disponga di campioni certificati, di incrementare la precisione dell’analisi utilizzando una o più versioni modificate del metodo dei parametri fondamentali, che tengano conto dei risultati ottenuti sui campioni standard.
   Da questo punto di vista sono diverse le strade che si vogliono sperimentare:
   
   1. Utilizzo di un numero limitato di campioni della stessa tipologia di lega per migliorare l’analisi di un particolare tipo di materiale: se ad esempio si dispone di una serie di campioni certificati di acciaio, si può pensare di ottimizzare i parametri di misura (in particolare lo spettro di emissione del tubo a raggi X e lo spettro di efficienza del rivelatore) per migliorare l’analisi sugli acciai;
   
   
   2. Utilizzo di un ampio numero di campioni di diversa tipologia per ottimizzare le prestazioni dello strumento in maniera globale, su tutte le tipologie di materiali;
   
   
   3. Utilizzo di un strategia intermedia, ovvero basata prima sulla determinazione approssimativa della composizione del materiale attraverso l’utilizzo della calibrazione di cui al punto ii), e poi dell’affinamento del metodo attraverso l’utilizzo della calibrazione di cui al punto i), se vi sono sufficienti misure su campioni standard. Tale procedura dovrebbe essere eseguita automaticamente dal software di analisi, in maniera da ottenere un’analisi estremamente precisa ed affidabile su un ampio range di materiali.