Введение
Техника неразрушающего элементарного анализа.
Эмиссия частиц, индуцированная рентгеновскими лучами, или протонная рентгеновская эмиссия (PIXE) – это метод, используемый для определения элементарного состава материала или образца. При облучении материала ионным пучком происходят атомные взаимодействия, приводящие к испусканию электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне спектра, характерного для конкретного элемента. PIXE – мощная, но неразрушающая методика элементарного анализа, которая в настоящее время широко применяется геологами, археологами, реставраторами и другими специалистами для решения вопросов о происхождении, датировке и подлинности объектов. Метод был впервые предложен в 1970 году Свеном Йоханссоном из Лундского университета (Швеция) и в последующие годы развивался совместно с его коллегами Роландом Аксельссоном и Томасом Б. Йоханссоном. Недавние усовершенствования PIXE с использованием сильно сфокусированных пучков (до 1 мкм) обеспечивают возможность микроскопического анализа. Эта методика, известная как микроPIXE, позволяет определять распределение микроэлементов в различных образцах. Близкая по принципу методика – эмиссия гамма-излучения, индуцированная частицами (PIGE) – может использоваться для обнаружения некоторых легких элементов.
Particle induced X ray emission or proton induced X ray emission (PIXE) is a technique used for determining the elemental composition of a material or a sample. When a material is exposed to an ion beam, atomic interactions occur that give off EM radiation of wavelengths in the x ray part of the electromagnetic spectrum specific to an element. PIXE is a powerful, yet non destructive elemental analysis technique now used routinely by geologists, archaeologists, art conservators and others to help answer questions of provenance, dating and authenticity. The technique was first proposed in 1970 by Sven Johansson of Lund University, Sweden, and developed over the next few years with his colleagues Roland Akselsson and Thomas B Johansson. Recent extensions of PIXE using tightly focused beams (down to 1 μm) gives the additional capability of microscopic analysis. This technique, called microPIXE, can be used to determine the distribution of trace elements in a wide range of samples. A related technique, particle induced gamma ray emission (PIGE) can be used to detect some light elements.
Рентгеновское излучение
Квантовая теория утверждает, что для обеспечения стабильности орбитальные электроны атома должны занимать дискретные энергетические уровни. Бомбардировка ионами с достаточной энергией (обычно протонами в диапазоне МеВ), генерируемыми ионным ускорителем, вызывает ионизацию атомов во внутренних оболочках образца. Электроны внешних оболочек переходят на освободившиеся места во внутренних оболочках, однако разрешены лишь определенные переходы. При этом излучаются рентгеновские лучи с характеристической энергией, зависящей от элемента. Для регистрации и измерения этих рентгеновских лучей используется энергодисперсионный детектор. Обнаружению подлежат только элементы тяжелее фтора. Нижний предел обнаружения для пучка PIXE определяется проницаемостью рентгеновских лучей через окно между камерой и детектором рентгеновского излучения. Верхний предел определяется сечением ионизации – вероятностью ионизации K-оболочки, которая максимальна при совпадении скорости протона и скорости электрона (10% скорости света), поэтому оптимальными являются протонные пучки с энергией 3 МеВ.
Протонное обратное рассеяние
Протоны также могут взаимодействовать с ядрами атомов в образце посредством упругих столкновений и рассеяния Резерфорда, часто отталкиваясь под углами, близкими к 180 градусам. Обратное рассеяние предоставляет информацию о толщине и составе образца. Свойства объемного образца позволяют корректировать потери рентгеновских фотонов внутри образца.
Передача протонов
Передача протонов через образец также может быть использована для получения информации о нём. Канализация — один из процессов, который можно использовать для изучения кристаллов.
Анализ белков
Анализ белков с использованием микроПИКС позволяет определять элементарный состав жидких и кристаллических белков. МикроПИКС может количественно определять содержание металлов в молекулах белка с относительной точностью от 10% до 20%. Преимущество микроПИКС заключается в том, что, зная последовательность белка, рентгеновское излучение серы можно использовать в качестве внутреннего стандарта для расчета числа атомов металла на мономер белка. Поскольку рассчитываются только относительные концентрации, систематические ошибки минимальны, а результаты полностью согласованы между собой. Относительные концентрации ДНК к белку (и металлам) также можно измерять, используя фосфатные группы оснований в качестве внутренней калибровки.
Анализ данных
Анализ собранных данных может быть выполнен программами Dan32, являющейся интерфейсом к Gupix.
Ограничения
Для получения чёткого сигнала серы при анализе, буфер не должен содержать серу (то есть, не должно содержаться соединений BES, DDT, HEPES, MES, MOPSO или PIPES). Следует также избегать избыточного содержания хлора в буфере, поскольку это может маскировать пик серы; KBr и NaBr являются подходящими альтернативами.
Преимущества
Есть много преимуществ использования протонового пучка по сравнению с электронным. Накопление заряда в кристалле от тормозного излучения меньше, хотя некоторое накопление происходит из-за эмиссии электронов Аугера, и оно значительно меньше, чем если бы первичный пучок был электронным. Благодаря большей массе протонов по сравнению с электронами, боковое отклонение пучка меньше; это важно для применений, использующих протонное лучевое письмо.
Сканирование
Двухмерные карты элементного состава могут быть получены путем сканирования микролуча PIXE по образцу.
Анализ клеток и тканей
Анализ целых клеток и тканей возможен с использованием микролуча PIXE, этот метод также известен как ядерная микроскопия.
Анализ артефакта
MicroPIXE – это полезный метод неразрушающего анализа картин и антиквариата. Несмотря на то, что он предоставляет только элементарный состав, его можно использовать для идентификации и измерения слоев внутри толщи артефакта. По точности метод сопоставим с деструктивными методами анализа, такими как методы семейства ICP.
Письменность протоновым пучком
Протонные пучки могут использоваться для записи (протонно-лучевая запись) либо путем упрочнения полимера (протонно-индуцированным сшиванием), либо путем деградации материала, чувствительного к протонам. Это может иметь важное значение в области нанотехнологий.