stringtranslate.com

Рентгеновское излучение, вызванное частицами

Рентгеновское излучение, вызванное частицами или протонами ( PIXE ), — это метод, используемый для определения элементного состава материала или образца . Когда материал подвергается воздействию ионного пучка, происходят атомные взаимодействия, которые испускают электромагнитное излучение с длинами волн в рентгеновской части электромагнитного спектра , специфичными для элемента. PIXE — это мощный, но неразрушающий метод элементного анализа, который в настоящее время регулярно используется геологами, археологами, реставраторами произведений искусства и другими специалистами для ответа на вопросы о происхождении, датировке и подлинности .

Метод был впервые предложен в 1970 году Свеном Йоханссоном из Лундского университета , Швеция , и в течение следующих нескольких лет развивался совместно с его коллегами Роландом Аксельссоном и Томасом Б. Йоханссоном. [1]

Недавние расширения PIXE с использованием узконаправленных пучков (до 1 мкм) дают дополнительные возможности микроскопического анализа. Эта техника, называемая microPIXE , может использоваться для определения распределения следовых элементов в широком диапазоне образцов. Связанная с ней техника, гамма-излучение, вызванное частицами (PIGE), может использоваться для обнаружения некоторых легких элементов.

Теория

В ходе эксперимента PIXE можно получить три типа спектров:

  1. Спектр рентгеновского излучения.
  2. Спектр обратного рассеяния Резерфорда .
  3. Спектр пропускания протонов.

рентгеновское излучение

Квантовая теория утверждает, что вращающиеся по орбите электроны атома должны занимать дискретные энергетические уровни, чтобы быть стабильными. Бомбардировка ионами достаточной энергии (обычно протонами в МэВ), производимая ионным ускорителем, вызовет ионизацию внутренней оболочки атомов в образце. Внешние электроны опускаются вниз, чтобы заместить вакансии внутренней оболочки, однако разрешены только определенные переходы. Испускается рентгеновское излучение с характерной энергией элемента. Для регистрации и измерения этого рентгеновского излучения используется энергодисперсионный детектор.

Обнаруживаются только элементы тяжелее фтора. Нижний предел обнаружения для пучка PIXE определяется способностью рентгеновских лучей проходить через окно между камерой и детектором рентгеновского излучения. Верхний предел определяется сечением ионизации, вероятностью ионизации электронной оболочки K , она максимальна, когда скорость протона совпадает со скоростью электрона (10% от скорости света ), поэтому оптимальными являются пучки протонов с энергией 3 МэВ. [2]

Обратное рассеяние протонов

Протоны также могут взаимодействовать с ядром атомов в образце посредством упругих столкновений, обратного рассеяния Резерфорда , часто отталкивая протон под углами, близкими к 180 градусам. Обратное рассеяние дает информацию о толщине и составе образца. Свойства основного образца позволяют корректировать потерю рентгеновских фотонов внутри образца.

Протонная передача

Прохождение протонов через образец также может быть использовано для получения информации об образце. Каналирование является одним из процессов, которые можно использовать для изучения кристаллов.

Анализ белка

Анализ белков с использованием microPIXE позволяет определять элементный состав жидких и кристаллических белков. microPIXE может количественно определять содержание металлов в молекулах белков с относительной точностью от 10% до 20%. [3]

Преимущество microPIXE заключается в том, что при наличии белка с известной последовательностью рентгеновское излучение серы может использоваться в качестве внутреннего стандарта для расчета количества атомов металла на мономер белка. Поскольку рассчитываются только относительные концентрации, систематические ошибки минимальны, а результаты полностью внутренне согласованы.

Относительные концентрации ДНК по отношению к белкам (и металлам) также можно измерить, используя фосфатные группы оснований в качестве внутренней калибровки .

Анализ данных

Анализ собранных данных может быть выполнен программами Dan32, [4] интерфейсом к gupix. [5] [6]

Ограничения

Для получения значимого сигнала серы в результате анализа буфер не должен содержать серу (т.е. не должно быть соединений BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O или PIPES ). Также следует избегать избыточного количества хлора в буфере, поскольку это будет перекрывать пик серы; подходящими альтернативами являются KBr и NaBr .

Из-за малой глубины проникновения протонов и тяжелых заряженных частиц метод PIXE ограничивается анализом верхнего микрометра данного образца.

Преимущества

Использование протонного пучка по сравнению с электронным пучком имеет много преимуществ. Зарядка кристалла от тормозного излучения меньше, хотя есть некоторая зарядка от испускания оже-электронов , и она значительно меньше, чем если бы первичный пучок сам был электронным пучком.

Из-за большей массы протонов по сравнению с электронами боковое отклонение пучка меньше; это важно для приложений записи с использованием протонного пучка .

Сканирование

Двумерные карты элементного состава можно создавать путем сканирования луча microPIXE по мишени.

Анализ клеток и тканей

Анализ целых клеток и тканей возможен с использованием луча microPIXE, этот метод также называют ядерной микроскопией . [7]

Анализ артефактов

MicroPIXE — полезный метод неразрушающего анализа картин и антиквариата. Хотя он обеспечивает только элементный анализ, его можно использовать для различения и измерения слоев в толще артефакта. [8] Метод сопоставим с деструктивными методами, такими как семейство анализов ICP . [9]

Протонное написание пучка

Протонные пучки могут быть использованы для записи ( протонная запись ) либо посредством затвердевания полимера ( путем сшивания, вызванного протонами ), либо посредством деградации протон-чувствительного материала. Это может иметь важные эффекты в области нанотехнологий .

Ссылки

  1. ^ Роланд Аксельссон мини-CV-проверено 29.01.2008
  2. ^ Ишии, К.; Морита, С. (1988-08). «Теоретическая оценка пределов обнаружения PIXE». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучка с материалами и атомами . 34 (2): 209–216. doi :10.1016/0168-583X(88)90745-8. {{cite journal}}: Проверьте значения даты в: |date=( помощь )
  3. ^ Гарман, ЭФ; Грайм, ГВ (2005). «Элементный анализ белков с помощью microPIXE». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID  15910917.
  4. ^ Geoffrey W Grime Dan32: последние разработки в интерфейсе Windows для gupix. Десятая международная конференция по индуцированному частицами рентгеновскому излучению, Порторож, Словения, 2004 г.
  5. ^ Максвелл, Дж.; Тисдейл, В.; Кэмпбелл, Дж. (1995). "Пакет программного обеспечения Guelph PIXE II". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел B. 95 ( 3): 407. Bibcode : 1995NIMPB..95..407M. doi : 10.1016/0168-583X(94)00540-0.
  6. ^ Кэмпбелл, Дж. (2000). «Пакет программного обеспечения Guelph PIXE III: Альтернативная база данных протонов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел B. 170 ( 1–2): 193. Bibcode : 2000NIMPB.170..193C. doi : 10.1016/S0168-583X(00)00156-7.
  7. ^ Гарман, Элспет; Грайм, Джеффери (октябрь 2005 г.). «Элементный анализ белков с помощью microPIXE». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID  15910917. Получено 25 июня 2023 г.
  8. ^ Грасси, Н. и др. Дифференциальные измерения PIXE для стратиграфического анализа картины «Мадонна деи Фузи» 10-я международная конференция PIXE (2004) — дата обращения 29.01.2008 Архивировано 8 сентября 2007 г. на Wayback Machine
  9. ^ Людовик Белло-Гурле и др. [doi:10.1016/j.nimb.2005.06.216] «Исследования происхождения обсидиана в археологии: сравнение PIXE, ICP-AES и ICP-MS», Ядерные приборы и методы в физических исследованиях B 240 (2005) 583–588, дата обращения 20 июня 2021 г.

Внешние ссылки