XRF


X Ray Fluorescence 

Illuminando sostanze non radioattive con una sorgente radioattiva si eccitano gli elettroni dei loro atomi che poi decadono emettono raggi X di energie caratteristiche. Ad esempio, nell’immagine di cui sopra, relativa all’analisi di argento dorato, sono state rilevate le energie caratteristiche dell’argento (guscio elettronico K ) e dell’ oro (guscio elettronico L).

Con questa tecnica è possibile distinguere molti materiali, tra cui l’argento, e anche vedere attraverso la placcatura, quale sia il materiale di base.

Con l’energia che forniamo si colpiscono con maggiore probabilità gli elettroni del primo guscio (K), quello più interno (a minore energia). Il vuoto deve essere colmato necessariamente (per le leggi della meccanica quantistica) da un altro elettrone, proveniente da un guscio più esterno e quindi dotato di maggior energia. L’energia in eccesso viene emessa sotto forma di fotoni dotati di un’energia caratteristica che dipende dall’elemento e dal guscio elettronico interessato. Il guscio elettronico interessato dipende a sua volta dall’energia che forniamo noi. Usando l’Americio (59 keV). possiamo esaminare solo sostanze aventi energie di legame, nel guscio K, inferiori a circa 50 keV – per i metalli con energie di legame più elevate siamo in grado di esaminare il secondo guscio, denominato L, e tramite questo possiamo analizzare anche gli elementi di maggior numero atomico, come l’oro.


Documentazione sulle tecniche XRF

Questo documento spiega in quattro pagine tutto quello che serve sapere sulle tecniche XRF. Il documento contiene anche tavole di riferimento sulle energie degli elementi più importanti per queste analisi. Tutti dovrebbero scaricarlo e tenerlo a portata di mano.
XrayFluorescence_ITA
XrayFluorescence_ENG

Chi volesse fare correzioni e traduzioni in altre lingue può scaricare questo file compresso che contiene gli originali in formato ODT (Open Office): XrayFluorescence_ODT_Files


Ricerche XRF

Molti ricercatori sono attivi nelle ricerche XRF e sono già disponibili linee guida per costruire sensori semplici ed efficienti.

I consigli per ridurre al minimo il rumore del PmtAdapter
http://pico.dreamhosters.com/ThereminoPmtAdapter.html

I link più interessanti:
http://pico.dreamhosters.com/XrfSpectrums.html
http://pico.dreamhosters.com/XrfSpectrumsPartTwo.html
http://pico.dreamhosters.com/XrfFluteSpectrums.html
http://pico.dreamhosters.com/ThereminoMcaSpectrums.html

Nel seguente file PDF si vede una ottima realizzazione di sonda per basse energie. La qualità della sonda è ottima, in tempi brevissimi di soli 120 secondi, fornisce righe precise ed evidenti. Oltre alla costruzione della sonda il file mostra le righe di molti materiali tra cui Zinco, Rame, Argento, Oro, Oro bianco, Nickel, Acciaio al carbonio e Placcatura sottile di oro.  Sonda per basse energie.pdf  (file pubblicato da Mario Mueller Della Morte sul forum Gamma Spectrometry in questo messaggio_12740)


Ricerche su oggetti antichi

Questo file: Test_Sr90_Am241 mostra parte delle ricerche del nostro collaboratore. Si tratta di una comparazione tra illuminatore Am-241 e Sr-90. I migliori risultati sono stati ottenuti con 4 uCurie di Americio disposto in 4 bottoni tutto intorno a un anello di piombo schermante che impedisce ai raggi gamma dell’Americio di colpire direttamente il cristallo scintillatore.

Questo secondo file: Tibetan_InkPot_And_Container mostra i test su alcuni oggetti tibetani. Sono risultati netti e precisi. E’ ormai dimostrato che con l’Americio si possono fare analisi di precisione in tempi brevissimi.

Questa immagine mostra un filtro per infusioni di erbe acquistato in Russia, in un negozio per stranieri, ai tempi di Gorbaciov. Era stato venduto come argento dorato – l’analisi XRF mostra che il commesso aveva detto la verità. In questa immagine l’illuminatore è il disco di plastica verde contenente Sr-90.

In questo documento una comparazione di due oggetti apparentemente simili, che l’XRF ha distinto nettamente.

E in questo ChineeseFruits una nuova interessante ricerca. Un test sulla possibilità di rivelare la presenza di arsenico nei pigmenti di antichi oggetti ceramici.

Infine questo XRF_Additional_Notes si concentra sulle differenze di risultato che si ottengono usando come illuminatore lo Sr-90 oppure l’Am-241.

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  1. Luigi says:

    Per suscitare la fluorescenza a raggi X vengono normalmente utilizzati svariati isotopi, in funzione degli elementi che si desiderano individuare.
    L’ Am-241 rappresenta uno dei più versatili, potendo suscitare la fluorescenza X dal rame fino al tulio (emissione dal guscio K) e dal tungsteno fino all’uranio (emissione dal guscio L).
    Per gli elementi più leggeri si puo’ utilizzare del Fe-55, con il quale si suscita la fluorescenza X dallo zolfo al cromo (gusci K) e dal molibdeno al bario (guscio L).
    Vengono anche utilizzati Cd-109, Sr-90, Cm-244.
    Il Curio è utilizzato dal Rover inviato su Marte per determinare la composizione mineralogica della superficie del pianeta.
    Una breve spiegazione della tecnica usata si può trovare qui:
    http://mars.jpl.nasa.gov/msl/mission/instruments/spectrometers/apxs/

  2. Luigi says:

    Mediante la XRF è possibile non solo determinare i componenti di una lega metallica, ma anche effettuare un’analisi quantitativa della stessa.
    La quantità di raggi X emessi dalla sostanza in esame dipende dalla concentrazione della stessa nel campione e quindi l’ampiezza dei diversi picchi è proporzionale alla quantità dei singoli elementi presenti nella lega.
    In pratica si misura l’area sottesa dai singoli picchi (corretta per tener conto della differenza di efficienza della sonda alla differenti energie considerate) che risulta direttamente proporzionale alla quantità dell’elemento che emette i raggi X a quella energia.
    Per l’esame sono necessari solo pochi minuti, dopo di che si può determinare che, ad esempio, un oggetto di bronzo è composto, sempre a titolo di esempio, dal 60% di rame e dal 40% di stagno.

  3. Giacomo says:

    Non riesco a capire come collegare un CCD lineare al sistema theremino c’è della documentazione a riguardo?

    • Livio says:

      Il sistema theremino comunica con l’hardware, tramite i PIN, che si trovano sui moduli Master e Slave. E poi attraverso gli Slot, che sono le caselle di comunicazione con il software.

      I PIN sono programmabili con circa venticinque tipi di InOut “precotti”, i quali sono TUTTI di tipo analogico, o per lo meno rappresentabili con un singolo valore numerico.

      Per controllare e leggere un CCD, si devono scambiare dati digitali, scrivere e leggere registri e seguire particolari protocolli, diversi da un modello all’altro. E non è possibile far passare segnali di questo tipo attraverso i PIN e gli SLOT.

      Questo non vuol dire che non si potrebbe usare un CCD, e farlo interagire con le nostre applicazioni. Ma che lo si dovrebbe fare passando da altre strade, ad esempio l’USB, esattamente come si fa con le webcam.

      Noi non abbiamo sviluppato niente sull’argomento ma in rete si trovano molti esempi per leggere facilmente i CCD dei mouse (e simili).

    • Livio says:

      Se aggiungi qualche particolare su quello che vuoi realizzare e la sigla del CCD, potremo darti qualche consiglio migliore o suggerirti alternative.

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      A quanto pare questo tipo di sensori si legge meglio in seriale che in USB. Per cui potresti partire da una delle nostre applicazioni, che usano la seriale e modificarla per il particolare protocollo del tuo sensore.

      Alcune applicazione adatte (con le funzioni per la seriale) sono queste:
      https://www.theremino.com/downloads/automation#balancereader
      https://www.theremino.com/downloads/radioactivity#bridge

      Un boun esempio che spiega come leggere un sensore CCD:
      http://www.bidouille.org/hack/mousecam

      Un altro esempio:
      http://spritesmods.com/?art=mouseeye

      In molti di questi progetti usano un Arduino ma in realtà non serve a niente, si può usare direttamente la seriale del PC (RS232). Oppure, se il PC non ha la seriale, esistono comodissimi adattatori da USB a seriale, che sono più economici, piccoli e comodi di un Arduino. E che funzionano subito, mentre nell’Arduino si dovrebbe scrivere un firmware apposito.

      • Giacomo says:

        Grazie Livo, mi sono informato nel frattempo volevo cominciare con un CCD lineare TCD1304AP per farmi uno spettrometro UV-VIS-NIR, e imparare a controllare i CCD. Perché ho visto un post su un theremino spectrometer ma in realtà non viene utilizzato il theremino ma una semplice webcam.

        Il mio obiettivo era quello di, una volta imparate le basi, anche passare ad altre sensori array più complicati: volevo farmi una termocamera.

        Ne ho già implementata una usando il modulo della FLIR Lepton http://www.flir.com/cores/content/?id=66257 e un Arduino ma questo secondo me non è l’ideale perché non riesco a comunicare abbastanza velocemente con il computer, sto quindi utilizzando un Raspberry Pi per acquisire le immagini dalla termocamera ma la cosa ideale sarebbe di collegarla direttamente al computer e per questo volevo utilizzare un theremino. Il problema è che penso che theremino non supporti bene il protocollo I2C e quindi forse dovrò restare con il Raspberry.

        • Livio says:

          Per usare l’i2c dovresti riprogrammare il firmware del Theremino Master. Quindi ti consiglio di continuare con il Raspberry.

          Dovrai lo stesso programmare la comunicazione I2c, ma lo hai già fatto e quindi sai come fare. Invece per programmare il Master dovresti familiarizzarti con il firmware dei PIC e con tecniche difficili e poco intuitive.

          Ma la soluzione migliore è la seguente:

          Usare un qualunque Tablet con Windows 10 (a partire da 50 Euro) o MiniPC come i Meegopad T2 con Windows 10 (ottimi e costano solo 87 euro). Questi PC costano appena poco più di un Raspberry ma valgono molto di più. Consumano più o meno la stessa corrente, ma sono 100 volte più potenti, sono quadcore, hanno Ram e HardDisk a volontà, hanno il WiFi, il Bluetooth, la scheda audio, il controllo di carica delle batterie, etc..

          Poi, per collegare dispositivi I2C, potresti usare un qualunque adattatore da USB a I2C. Se ne trovano vari modelli su eBay, a partire da pochi euro.

          E infine potresti programmare comodamente in VbNet, CSharp, CPP o qualunque altro linguaggio comodo ad alto livello e comunicare con tutto il resto del sistema Theremino attraverso gli Slot.

  4. Angelo says:

    Con la spettrometria xrf, si possono conoscere qualsiasi tipo di materiale?

    • Livio says:

      I materiali che si possono vedere dipendono dalle orbite degli elettroni, una cosa un po’ difficile da spiegare. Ti consiglio questa immagine che li mostra:
      https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_fluorescence#/media/File:XRFScan.jpg

      E comunque non ti aspettare risposte certe e univoche. I rivelatori che usiamo noi non fanno righe strette come quelle di questa immagine, quindi diverse sostanze possono dare spettri simili tra loro e per essere sicuri bisogna già sapere di cosa potrebbe essere fatto il campione.

      Per avere righe strette come nella immagine che ti ho indicato, bisognerebbe usare rivelatori al Germanio iperpuro (HpGe) raffreddati ad azoto liquido.

      Con i rivelatori HpGe le righe sono larghe lo 0,15%, mentre con i nostri rivelatori NaI(Tl) riusciamo ad arrivare verso il 7%, quindi righe 50 volte più larghe. Se guardi l’immagine e allarghi le righe di 50 volte, vedrai che molte si sovrappongono e si confondono quasi tra loro.

      • Angelo says:

        Quindi è perfettamente inutile?… Ti spiego, vivendo nella terra dei fuochi, ho perso amici e parenti coi tumori e si continua a morire.. Purtroppo si deve pur mangiare e non sai mai cosa mangi… Si è già accertato che i valori nelle nostre verdure dei metalli pesanti sono tra le migliaia e decine di migliaia di volte superiori ai valori limiti. Inoltre ci sono anche sostanze radioattive… Tu dici allora che tutti gli strumenti del sito non mi servono a niente o possono aiutarmi a capire se un alimento è più o meno tossico di un altro…? Fare i test sui capelli,, mineralogrammi, costano e non mi aiuta a prevenire… Grazie

        • Livio says:

          Non è “perfettamente” inutile, si possono fare molte analisi che con altri metodi non si potrebbero fare. Ad esempio scoprire se un oggetto è di oro o è finto, e altre decine di utili test. Però devi sapere esattamente cosa stai facendo, sapere che quella particolare analisi è possibile, sapere che dati attenderti e avere esperienza nella interpretazione degli spettri.

          Quello che ti servirebbe è un apparecchio da fantascienza, che riesca a misurare quantità microscopiche di tutte le sostanze “annusando un oggetto”. Nemmeno i laboratori chimici più avanzati possono fare questo. Per ogni sostanza devono usare test diversi e reagenti adatti. Per cui anche loro devono prima sapere cosa cercare e poi tritare, diluire, aspettare, misurare… per questo le analisi costano e più sostanze vuoi misurare, e minori sono le quantità di quelle sostanze, e più costano.

          Esistono piccoli apparecchi, anche portatili, che rivelano varie sostanze. Gas, fumi vari, cocaina e altre droghe… ma non ti servirebbero a niente perché non sono in grado di misurare le piccolissime quantità di inquinanti, ad esempio insetticidi, che possono esserci negli alimenti.

          La cosa più simile a quello che ti servirebbe è uno spettrometro di massa. Sono apparecchi che costano decine di migliaia di Euro ma anche loro richiedono una particolare preparazione dei campioni, a seconda delle sostanze da analizzare.

          Qui puoi trovare un elenco di tutte le tecniche analitiche:
          https://it.wikipedia.org/wiki/Categoria:Tecniche_analitiche

        • Angelo says:

          ma se si rileva l’oro come dici, allo stesso modo non si possono rilevare altri metalli? o dipende dalla quantità per cui non è possibile rilevare?…inoltre potrei almeno misurare le parti leggermente radioattive inquinate ad esempio col cesio o altro? mi interessa anche misurare la qualità dell’aria…spesso ci sono roghi di immondizia ,a livello di capannoni proprio…

          • Livio says:

            La analisi XRF può rilevare solo una ventina di sostanze e solo se sono in grande quantità. Ad esempio un oggetto di ceramica placcato oro ti darà tre o quattro gobbe, una per l’oro, una per il piombo che c’è nella ceramica e altre due per qualche altro componente della ceramica. Ma se lo punti per aria o su un cibo, dove ci sono quantità microscopiche di quello che ti interessa, vedrai solo il cibo (sempre che contenga grandi quantità di sostanze tra le venti che si possono vedere).

          • Livio says:

            Con un tubo geiger e la applicazione Theremino Geiger, potresti individuare alimenti leggermente radioattivi. Ma la probabilità che ti capitino in cucina è veramente bassa. In anni di prove non abbiamo mai trovato niente di commestibile con una radioattività maggiore del fondo ambiente. Solo il cloruro di potassio (sale dietetico) è un po’ radioattivo, ma in questo caso è inutile misurarlo, tutti sanno che lo è.

            Con la camera a ioni (theremino Ion Chamber) e la applicazione Theremino Geiger potresti misurare il Radon che hai in casa. Questa è la analisi più utile per la salute e le prevenzione del cancro che si può fare con i nostri sistemi.

            • Angelo says:

              ben per te che non hai mai rilevato niente di eccezionale nel cibo ma io non mi meraviglio se ne trovassi tanto nei prodotti coltivati qua attorno , ti dico solo che sono stati trovati fusti di masteriale radioattivo sepolti nelle campagne e alcune parti anche camion interi di questi fusti…riguardo il Radon so che geologicamente qua a Napoli si è pieni , e se non sbaglio se i locali sono areati questo tende a svanire pero puo essere utile misurarlo…ma ho visto che avete anche sensori per polveri sottili, forse quello mi aiutera a conoscere la qualità dell’aria, o nemmeno quello è affidabile?

              • Angelo says:

                scusa Livio, ti ho annoiato gia fin troppo , ti ringrazio per i preziosi chiarimenti. Credo che qualche vostro apprecchio lo costruirò comunque prima o poi.Ciao

                • Livio says:

                  Non ti aspettare niente di magico dai nostri sensori, nemmeno da quello delle polveri. Sono tutte cose hobbistiche che si costruiscono con pochi euro. L’unica misura “casalinga” che potrebbe esserti utile è il Radon, ma attenzione che costruire la camera a ioni non è facile, ci vogliono buone conoscenze di elettronica, oppure devi fartela preparare da qualcuno e non costerà poco.

                  Se vuoi dati sulle polveri ci sono molti siti che li pubblicano e sono sicuramente più affidabili di quelli che potresti ottenere con il fai da te. Con questo non voglio denigrare il fai da te, che è importantissimo per imparare e anche per gestire la propria vita in modo non commerciale. Però quando si fa bisogna anche sapere cosa si può ottenere e cosa no, altrimenti si ottengono solo delusioni.

            • Angelo says:

              ma se faccio il rilevatore geiger, misura qualsiasi sostanza radioattiva? il tempo di misura è veloce? ho una buona manualita, potrei fare anche la camera di ioni…

              • Livio says:

                La camera a ioni misura solo il Radon. In mezz’ora ti da già una misura abbastanza precisa di quanto ce n’è nell’aria.

                Un tubo Geiger conta i raggi beta e gamma emessi dalle sostanze radioattive. Devi avvicinarle al tubo geiger, molto vicine, altrimenti non misuri niente. Le sostanze radioattive che puoi trovare comunemente sono pochissime, leggere tracce do Torio, Radio, Uranio e Potassio, contenute in alcuni materiali come la pietra pomice, la smaltatura di alcune piastrelle di ceramica, il sale dietetico e poco altro. Il geiger non distingue tra una sostanza e l’altra, e ti da una misura che è la somma di tutto quel che sente.

                La terza possibilità è usare un tubo fotomoltiplicatore e la applicazione MCA per distinguere tra le quattro o cinque sostanze radioattive più comuni (e qualcun’altra con gli XRF). Sistema costoso e difficile da usare. Ci vuole molta esperienza e ci vogliono campioni di Cesio e Americio per regolarlo. Se non lo si regola e non si ha esperienza si prendono cantonate e si vedono cose che in realtà non esistono.

                Per maggiori informazioni leggi tutti i PDF allegati alle applicazioni Theremino_Geiger e Theremino_MCA, nonché tutti gli altri documenti che si scaricano dalle pagine del sito.

                • Angelo says:

                  ok, grazie Livio, leggerò tutto e se ho tutte le nozioni e mi sento sicuro allora procederò , grazie

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