Utilizzo degli acceleratori
Gli acceleratori di particelle sono impiegati anche in campi completamente diversi da quelli della
ricerca di base, come peraltro avevamo già anticipato nelle lezioni precedenti.
Le principali applicazioni sono di seguito elencate:
-
-
Analisi chimiche con metodi nucleari
Datazioni in archeologia
Sterilizzazioni con acceleratori
Produzione di isotopi radioattivi
Produzione di neutroni
Radiografie 
Radiografie industriali Radiografie con p
Radiografie con n
Radiation Damage
Irraggiamento materiali
Impiantatori ionici
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ANALISI CHIMICHE CON METODI NUCLEARI
-Analisi
di attivazione con particelle cariche
CPAA-Charged Particle Activation Analysis
-Rivelazione
a mezzo di collisioni elastiche di particelle cariche
RBS- Rutherford Backscattering Spectrometry
ERDA-Elastic Recoil Detection Analysis
-Emissione di raggi x indotti di particelle
PIXE-Particle induced Xray emission
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CPAA
L’analisi di attivazione a mezzo di particelle cariche è un metodo analitico per
determinare la concentrazione elementale di elementi in tracce in un
campione. Il metodo è basato sulle reazioni nucleari che portano a
radionuclidi.
L’identificazione della radiazione emessa (energia, T1/2) dà informazioni
qualitative mentre la misura dell’ammontare delle particelle emesse (attività)
dà informazioni quantitative.
La CPAA è una analisi con un eccellente limite di rivelazione. accuratezza e
precisione.
I principali vantaggi del sistema sono:
-i
campioni non devono essere sciolti prima dell’irradiazione;
-la
contaminazione può essere rimossa cosi’ da contare il solo campione;
metodo non è soggetto all’errore che si fa sulla misura del campione di
fondo.
-il
Il metodo è ottimo per la rivelazione di elementi leggeri (boro, carbonio, azoto,
ossigeno) in metalli e semiconduttori. A basse concentrazioni (g/g) è l’unico
metodo che ne permette di determinare la concentrazione.
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Gli svantaggi sono legati ai costi e alla complessità del sistema.
Il sistema è basato su una reazione nucleare del tipo A (a, b) B dove il nucleo
stabile A colpito dalla particella a si trasforma nel radionuclide B emettendo
una o più particelle (b).
Parametri importanti sono ovviamente sia la minima energia richiesta per
indurre la reazione o energia di soglia e la probabilità’ che la reazione
avvenga.
La probabilità’ è espressa sotto forma di sezione d’urto e viene misurata in
barn (1 barn= 10-28 m2).
La sezione d’urto per un certo tipo di processo dipende ovviamente
dall’energia della particella carica.
In una matrice irradiata con particelle cariche a certe energie i più probabili
radionuclidi formati possono essere studiati utilizzando la tavola periodica
degli elementi e la conoscenza dell’energia di soglia.
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Per esempio nell’attivazione con protoni le reazioni riportate nella
figura possono applicarsi a tutti i nuclei stabili
p, n
p,2n
p,n
p,t
p, d
p,
p,3He
NUMERO NEUTRONI
Ovviamente con protoni fra 10 e 20 MeV.
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Nucleo stabile
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L’ attività indotta è proporzionale al numero di nuclei della
targhetta e il numero di particelle cariche.
L’ attività indotta cresce con il tempo di irradiazione e decresce
con i tempi di dimezzamento più lunghi del radionuclide.
dN R
  B , RN B  R N R
dt
Dove
f e’ il rateo di fluenza delle particelle
BR e’ la sezione d’urto di attivazione
NB e’ il numero di atomi di tipo B presenti nella targhetta
NR e’ il numero di atomi radioattivi presenti
AR(t,Tc)= BR f NB(1-e-Rt)e- Rt Tc
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Sebbene in linea di principio la concentrazione di un elemento sia
possibile dedurla dalla formula prima indicata abitualmente viene
usato un metodo relativo secodo cui uno standard dell’elemento che
si vuole misurare nel campione e il campione da misurare vengono
irradiati separatamente con un fascio della stessa energia.
La concentrazione dell’elemento si puo’ facilmente ricavare
dalla concentrazione nel campione
dai rapporti fra le attivita’ dai rapporti fra le intensita’ dei fasci
dal tempo di irraggiamento dai tempi di dimezzamento
dalla correzione che tiene conto di come il fascio viene assorbito
diveramente
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Ricapitolando per effettuare analisi con il metodo CPAA le particelle
cariche devono essere accelerate a energie più alte della soglia di
attivazione, e questo per avere maggiore sezione d’urto e alta sensibilità,
ma al di sotto della soglia per processi più complessi, e questo allo scopo
di evitare problemi di interferenza.
Energie fra alcuni MeV e 20-30 MeV dovrebbero essere raggiunte per i
protoni e i deuteroni ed energie doppie per 3He e 4He.
Il ciclotrone copre questo range di interesse.
L’energia dovrebbe essere ben definita (un’accuratezza di 0.1 MeV è
largamente sufficiente) e riproducibile (differenti irraggiamenti
effettuati in differenti giorni devono essere paragonabili). L’intensità del
fascio dovrebbe essere variabile fra 0.05 e 5A e costante durante la
durata dell’irradiazione.
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SPETTROMETRIA BASATA SULLE COLLISIONI ELASTICHE DI PARTICELLE CARICHE
La diffusione elastica all’indietro e il rinculo elastico sono basati sulle collisioni elastiche
delle particelle cariche.
La differenza fra i due sistemi è la seguente:
la diffusione elastica all’indietro consiste nel sondare targhette di atomi più pesanti con
ioni più leggeri, mentre nell’altro metodo sono usati proiettili più pesanti e particelle più
leggere sono rinculate.
La diffusione all’indietro permette la rivelazione di piccole quantità di elementi pesanti in
campioni leggeri, mentre particelle leggere di rinculo sono rivelate in campioni di
materiale più pesante con una buona sensibilità.
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La tecnica tradizionale viene effettuata con ioni 4H nella regione di energia della
diffusione Coulombiana intorno a 2 MeV.
Questa tecnica è usata in metallurgia, biologia, medicina e contaminazioni
ambientali
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EMISSIONE DI RAGGI X INDOTTI DA PARTICELLE (PIXE)
L’emissione di raggi x indotta da particelle è diventata ormai di uso comune nel
campo dell’analisi elementale.
Svuotamenti dei livelli energetici interni sono normalmente prodotti da protoni e/o 
con energie dell’ordine del MeV.
I principali vantaggi che la PIXE sono:
-
possibilità di misurare tutti gli elementi dal B all’ U
alta sensibilità (limite di rivelazione 1pg)
limite relativo di rivelazione 0,1 mg/kg
possibilità di analizzare piccole quantità 1 mg o meno
velocità di analisi
tecnica non distruttiva
preparazione dei campioni semplice.
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Per questo tipo di applicazioni vengono usati acceleratori ellettrostatici a stadio singolo o a tandem come
indicato in figura.
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In linea di principio qualsiasi campione secco può essere messo nella camera da
vuoto ed essere analizzato cosi’ com’è.
È anche possibile estrarre il fascio ed usarlo per campioni posti all’esterno.
Questo modo permette di analizzare campioni che prendono molto spazio. La
tecnica è senz’altro utile quando si vogliono analizzare campioni delicati, vecchi
libri, pitture, stampe, papiri etc.
Il metodo PIXE standard prevede fasci le cui dimensioni sono dell’ordine dei
10 mm di diametro. Esiste anche la possibilita’ di avere fasci di 0.5m.
Il range del fascio incidente su una targhetta dipende dalla sua carica e dalla
velocità. Per protoni di alcuni MeV il range è alcune decine di m. L’analisi
PIXE è insensibile allo stato di ossidazione della superficie.
Sebbene la tecnica sia una tecnica orientata allo studio delle superfici la sonda
ionica penetra sufficientemente all’interno.
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Range in aria e perdita di energia per differenti specie ioniche in funzione
dell’energia.
Vale la pena notare che I valori del rilascio di energia in aria ein basso vuoto sono le
stesse
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Rappresentazione schematica di un esperimeto PIXE per un campione di dimensioni finite
Durante il rallentamento nel campione il fascio induce diversi processi fisici. Fra questi quello che ha
la sezione d’urto maggiore è quello che provoca l’espulsione di un elettrone dei livelli interni. L’atomo
cosi’ eccitato è instabile. In seguito al riassestamento degli elettroni nei livelli elettronici si ritorna allo
stato di minima energia potenziale.
L’energia rilasciata riappare sotto forma di raggi x. Questi ultimi sono ovviamente funzione del
numero atomico delle targhette.
Linee di emissione di K e K sono emesse se è stata provocata l’espulsione di un elettrone K, cosi’ si
hanno le linee L se l’elettrone espulso è stato unFERDOS
elettrone L.
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Per avere un’idea delle energie emesse si può
far uso delle seguenti formule approssimate:
E(K )=z2/100 (KeV)
E(L )=z2/750 (KeV)
E(M )=z2/3000 (KeV)
Le righe K sono quelle relative a transizioni che finiscono nel livello K
Le rigne L sono quelle che finiscono nel livello L
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La strumentazione usata per il metodo PIXE consiste in un piccolo acceleratore da qualche MeV,
una camera da vuoto con un sistema per il cambiamento dei campioni. Un rivelatore per raggi x
completa il sistema.
Il fascio di protoni prodotto per esempio da un Van De Graaf penetra nella camera di misura attraverso
una coppia di collimatori e colpisce la targhetta campione posta a 135 gradi rispetto alla direzione del
fascio.Il fascio di raggi x prodotto attraversa una finestra di berillio e viene rivelato da un rivelatore al
Si. I protoni diffusi all’indietro vengono rivelati da un rivelatore che permette anche di fare una
spettrometria dei protoni. Gli altri protoni vengono raccolti dalla tazza di Faraday.
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Un tipico spettro in questo caso un campione di acqua opportunamente trattato
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Curva di efficienza di un Si(Li) con finestra di belillio da 8 micron di spessore
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AMS
(Accelerator Mass Spectroscopy)
Datazioni Archeologiche
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La datazione con radiocarbonio 14C è in grado di
provvedere a dare una scala assoluta di tempo per la
storia dell’uomo sugli ultimi 50000 anni.
La tecnica AMS con la sua capacita’ di misurare il 14C
in campioni al di sotto del mg ha espanso
notevolmente l’ applicabilità di questo sistema di
datazione.
In tal modo composti molecolari estratti da ossa
antiche, semi e materiali contenenti Carbonio possono
essere datati con sempre maggiore sensibilità e
attendibilità. Grazie anche alla invasività molto
limitata anche rari manufatti sono stati datati.
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Uno dei principali obbiettivi dell’archeologia è quello di dare un
ordine cronologico agli eventi passati sulla base di studi dei materiali e
delle vestigia passate.
È attualmente disponibile un insieme di tecniche di datazione che se
usate nel modo corretto danno risultati con alto grado di precisione.
È appena il caso di citare:
- gli anelli degli alberi
- le stratigrafie
- i ratei di sedimentazione
- i cambiamenti di stile
- i cambiamenti di tecniche costruttive
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Infine ma non ultime sono le tecniche legata alla radioattività naturale:
-Decadimento
di radionuclidi (è il caso del C-14)
-Produzione
in situ di radionuclidi cosmogenici a vita medio lunga quali il Be-10
( T1/2=1.6*106 anni), Al-26 ( T1/2=7.2*105 anni), Cl-36 ( T1/2=3.01*105 anni), che possono
essere usati per la datazione di superfici di rocce e/o manufatti di pietra
-Effetti
di accumulo esponenziale di figli radioattivi da nuclidi primordiali, nelle serie K-Ar,
U
di accumulo lineare degli effetti dell’esposizione nella termoluminescenza nella
luminescenza stimolata otticamente e nella datazione con tracce di fissione
-Effetti
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Negli anni 40 per la prima volta fu usata la tecnica del radiocarbonio
nella datazione archeologica alla fine degli anni 70 dello scorso secolo è
stata utilizzata per lo stesso scopo la AMS.
Andiamo ad esaminare il principio di funzionamento della datazione
con radiocarbonio.
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Il C-14 è generato in atmosfera dalle reazioni nucleari che i neutroni di
origine cosmica fanno sull’azoto atmosferico e che si distribuisce poi in
atmosfera sotto forma di 14CO2. N-14+n va in C-14+p
Nei tempi preindustriali il rapporto 14C/12C era circa 1.2x10-12.
Per capire ma il modello non è cosi’ lineare si può ipotizzare che gli organismi
viventi entrano a far parte del ciclo del carbonio attraverso processi
metabolici che sono caratterizzati da concentrazioni di radiocarbonio.
Quando l’organismo vivente muore, lo scambio del carbonio si ferma.
Pertanto misurando la quantità residua di C-14 in campioni organici, sempre
che non siano stati contaminati da campioni più giovani (attraverso acidi
organici del suolo, attraverso azioni batteriche) ovvero più antichi, è possibile
calcolare il tempo trascorso dal momento della morte dell’organismo vivente.
La datazione con il radiocarbonio permette determinazioni fino a 50000 anni
A.C.
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Il C-14 ha un T1/2 = 5730 anni e pertanto è ideale per gli studi
nella scala temporale della civilizzazione umana.
Ha in più come già detto la caratteristica che il tempo zero ( il
rapporto iniziale in un organismo vivente ) è praticamente
uniforme nello spazio e nel tempo.
In linea teorica si potrebbero utilizzare anche altri radioisotopi
naturali a vita media lunga quali il Ca-14 (T1/2 =1.03 x 105 anni)
che permetterebbero la possibilità di datare bene fino a 106 anni.
Ma purtroppo il rapporto Ca-41/Ca-40 è molto variabile.
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Il rapporto costante fra il C-14 e il C-12 che si riscontra in atmosfera e’ dovuto
al fatto che la produzione e il decadimanto sono in equilibrio. Questo rapporto
si ritrova costante nell’anidride carbonica.
E poiche’ l’anidride carbonica e’ parte fondamentale della fotosintesi nelle
piante il carbonio presente e’ nel rapporto di partenza. Tale rapporto si
trasporta cosi’ come e’ a tutti gli esseri viventi.
Il decadimento del C-14 segue la legge del decadimento esponenziale
N(t)=N(0) e-t/t
Determinando N(t) con la misura sperimentale del C-14
Determinando N(0) con la misura sperimentale su un campione “morto fresco”
(la composizione isotopica in carbonio e’ comune a tutti gli organismi viventi
nel momento in cui cessano di vivere)
Si riesce a ricavare il tempo intercorso fra la morte dell’organismo e la data
della misura.
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Il metodo di misura AMS è una tecnica analitica utilizzata in
tutti quei casi in cui non è possibile la rivelazione del
radionuclide a mezzo dei prodotti di decadimento ovvero a
mezzo di spettrometria di massa convenzionale.
Il suo vantaggio sta nel fatto che
le ambiguità nella
identificazione degli ioni sono praticamente del tutto limitate,
permettendo l’analisi di rapporti isotopici dell’ordine di 10-15 che
è un fattore 105 più piccolo di quello della maggior parte degli
spettrometri di massa.
Poiché vengono contati gli atomi e non la radiazione dovuta al
loro decadimento, la sensibilita’ del metodo AMS non è affetta da
errori dovuti ai tempi di dimezzamento e può raggiungere un
limite di rivelazione di 106 atomi.
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Confrontato con la tecnica nucleare il sistema ha una efficacia
105-109 volte più alta, le dimensioni del campione 103-106 volte
più piccola e le misure possono essere fatte in tempi 100÷1000
volte più rapidi. Campioni dell’ordine di 20g di Carbonio sono
analizzate in 30 minuti.
Per evidenziare la differenza con il sistema nucleare si consideri
1 g di Carbonio moderno, esso contiene 6x106 atomi di C-14, che
può essere misurato con il sistema convenzionale nucleare con
una precisione dell’1% (~104 decadimenti rivelati) in 1000
minuti.
Con una sorgente ionica ad alta intensita’ è possibile con la
tecnica AMS misurare lo stesso numero di 104 atomi di C-14 in
solo 1 minuto, consumando solo 100 g di materiale.
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Per effettuare analisi isotopiche ultra sensibili è necessario per prima cosa
fare una oculata scelta dell’acceleratore per ioni da usare.
L’optimum per una svariata serie di applicazioni è il Van de Graff a tandem.
I tandem che lavorano a tensioni fra 0.5 e 3 MV sono quelle ottimali per il C-14.
Tandem a più alta energia possono essere usati per i radionuclidi rari.
Gli altri acceleratori quali i ciclotroni non sono adatti a questo tipo di misure.
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Ioni di carbonio negativi sono prodotti da una sorgente ionica e dopo essere
passati attraverso un magnete spettrometro sono iniettati in tandem.
Nel caso del C-14, le interferenze isobariche sono del tutto limitate perché l’14N
non forma ioni negativi stabili.
Misure di alta precisione sono condotte a mezzo di iniezioni simultanee o in
sequenza rapida degli isotopi 12C, 13C e 14C.
Gli ioni negativi sono attratti dal terminale positivo ed accelerati fra 0.5 e 15
MeV, successivamente passano attraverso un gas o una sotile foglia di
Carbonio subendo uno “stripping”e diventando positivi.
Detti ioni sono di nuovo accelerati in direzione del successivo terminale
negativo.
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Dopo lo stadio di accelerazione un magnete analizzatore seleziona il massimo
probabile stato di carica ( tipicamente 3+ o 4+ ). Il magnete suddetto serve
ovviamente anche a pulire il fascio di ioni del fondo.
L’identificazione degli ioni di C-14 viene effettuata con un rivelatore di ioni. Il
rapporto isotopico 14C /12C ( or 14C/13C) è derivato dai conteggi del C-14 nel
rivelatore e le correnti del 12C e 13C misurate nella tazza di Faraday. Una
metodologia simile è usata per analizzare radionuclidi rari cosmogenici il Be-10,
Al-26. I campioni organici da analizzare devono essere purificati e trasformati in
una targhetta di grafite per sorgenti ionica.
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La maggior parte dei campioni deve essere trattata per rimuovere il carbonio
estraneo o per estrarre solo la frazione contenente solo il carbonio originale.
Attraverso processi di combustione o di idrolisi dei campioni purificati è
ottenuto il CO2. Successivamente a mezzo di processi catalitici il CO2 è
trasformato in una targhetta di grafite.
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Campioni dell’ordine dei 20 microgrammi di Carbonio possono essere analizzati senza
problemi anche se la contaminazione dovuta in situ e la contaminazione dovuta al processi
chimici di preparazione ne limitano l’accuratezza e l’intervallo di datazione. I processi di
ossidazione e grafitizzazione sono responsabili infatti per un fondo equivalente a 1
microgrammo di Carbonio moderno (6*104 atomi di C-14).
La precisione di questo sistema di datazione e’ dominata dall’errore statistico. Una massa
minima di 20 microgrammi di carbonio e’ necessario per effettuare datazioni recenti(<5000AC)
con un errore dell1% (circa 80 anni). Con piu’ campioni dello stesso materiale si arriva a
precisioni dell’ordine dei 20 anni. La contaminazione del campione in fase di trattamento
chimico limita in ultima analisi l’eta’ massima databile.
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Gli acceleratori furono sviluppati
come strumenti per la ricerca di
base, partendo dagli albori della
fisica nucleare per arrivare alla
fisica delle particelle elementari.
Lo sviluppo degli acceleratori ha
permesso il conseguente sviluppo
di tutte quelle discipline tecniche
necessarie quali la criogenia, il
vuoto, la progettazione
meccanica, l’elettronica,
l’automazione etc.
Il campo degli acceleratori è
diventato una disciplina a se
stante a partire dagli anni trenta
come è bene indicato nella figura
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Dall’albero centrale che rappresenta la ricerca fondamentale si sono
staccate nel corso degli anni diverse branche il cui scopo era quello di
sviluppare acceleratori per applicazioni specifiche.
È evidente che la tendenza a risolvere problemi tecnici e industriali
partiva sempre dai laboratori di fisica dove intenzionalmente o per
fortuna venivano scoperti o testati procedimenti che successivamente
portavano ad importanti applicazioni tecniche.
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Una branca fondamentale per lo sviluppo tecnologico è quella della scienza dei
materiali.
L’irraggiamento di materiali con particelle leggere o pesanti cosi’ come con
radiazioni elettromagnetiche provoca cambiamenti di legami chimici e/o la
composizione del materiale stesso. Queste modifiche si accompagnano a nuovi
processi industriali o addirittura alla creazione di nuove branche industriali.
Allo stato attuale uno dei più importanti campi di applicazione
dell’irraggiamento dei materiali con gli elettroni è quello dei polimeri.
Una frazione consistente di radicali liberi neutri o carichi sono prodotti con
l’interazione con gli elettroni. I radicali formati come è noto sono fortemente
reattivi e reagiscono con altri polimeri, monomeri e altri additivi. Dalla ricerca
di base nella chimica delle radiazioni si è sviluppata una nuova branca di
procedimenti chimici industriali. Vengono di solito utilizzati in queste
applicazioni elettroni da 300 keV.
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Nella figura è possibile vedere il tempo necessario per l’assorbimento della radiazione
determinando l’ opportunità economica, di una sorgente o di un’altra.
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L’incorporazione di atomi in
matrici di materiali ha aperto un
grandissimo campo di ricerca
nell’ambito delle modifiche dei
materiali.
Gli obbiettivi degli irraggiamenti
con ioni si possono raggruppare nei
filoni di seguito elencati:
- Drogaggio, impiantazioni ioniche
con specie ioniche in concentrazioni
moderate;
- produzione di strati o
segregazione di impurità in metalli
o di leghe in vari materiali;
- Miscelamento ionico di sottili
strati o interfacce con definite
deposizioni di energia;
- Produzione di danneggiamento da
radiazioni controllato quali
amorfizzazione, ricristallizzazione
con l’aiuto di fasci ionici e
deposizione di metalli per
spruzzamento su superfici.
È appena il caso di ricordare che i
transistors sono stati costruiti
utilizzando tali tecniche
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Generatori di neutroni
Il metodo usato per la produzione di neutroni e’ quello di far urtare un fascio di ioni su una targhetta
Vengono in genere usate le seguenti reazioni
7Li(p,n)7Be
3H(2H,n)4He
2H(2H,n)3He
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La sorgente di ioni consiste in un Van de Graaff e/o in un ciclotrone
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Una applicazione estemporanea dei neutroni veloci prodotti da un acceleratore per esempio con
una reazione d,t
che produce un fascio di neutroni da 14 MeV che viene
utilizzato per la ricerca di esplosivi in bagagli.
Si sfrutta il fatto che:
3
2
4
H H, n He
N (14MeV)+16O
16O*
+ n (7,9 MeV)
16O
N (14MeV)+14N
14N*
+  (6,13)MeV
+ n (8,9 MeV)
14N
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+  (5,1MeV)
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