CARATTERIZZAZIONE E CONFRONTO DI STRUMENTAZIONE XRF (X-RAY FLUORESCENCE) SU MATERIALI METALLICI

The thesis is part of a project for the development of instrumentation for applications to cultural heritage. This instrumentation involves the use of techniques based on the use of X-rays, such as X-ray fluorescence (XRF), radiography (RX) and X-ray luminescence (XRL). The instrument under construction is based on the XRF scanner built within the collaboration of the National Institute of Nuclear Physics (INFN CHNet), and it was created with the aim of being able to perform a complete analysis, allowing mapping function of the sample under examination. In this thesis are introduced and exposed the key concepts of the phenomenon of X-ray fluorescence, in order to better understand both the operation of the instrumentation and the data obtained from these measurements. It also treates the instrumentation used in such analysis, then are presented source and detector and their mechanism of operation. My thesis work, in particular, focuses on the research of such conditions, in order to set the X-ray source to the optimal values of voltage and current and the detector with the best configuration of characteristic parameters, including peaking time, number of channels, gain, operating temperature and voltage. This study is necessary in order to allow the recognition of the most of the elements present in the observed samples. This research is done doing real analysis on some samples in our possession. In particular, these observations are rely on metallic materials. The collection of objects used during the project, provides for the presence of metallic samples, characterized differently from the presence of copper, tungsten, iron, zinc, lead, aluminum, tin, gold and silver. Then we have proceeded with the acquisition under different conditions of voltage and intensity of the source and with the calibration of all spectra for each sample. This work is fundamental in order to identify the positions of the peaks and consequently recognize the characteristic transitions of the different elements. Then a comparison is made between the different spectra of the same sample, in order to observe which are the best conditions for the identification of as many elements as possible. Finally, as a last aspect, we make a comparison between the different commercial spectrometers. In this section some aspects are taken into consideration, including the different acquisition conditions, in situ or in the laboratory by sampling, and the difference between the sources and detectors installed on different machines.

La tesi si inserisce in un progetto di sviluppo di strumentazione per applicazioni ai beni culturali. Tale strumentazione prevede l'impiego di tecniche basate sull'utilizzo dei raggi X, come ad esempio la fluorescenza X (XRF), la radiografia (RX) e la luminescenza indotta da raggi X (XRL). Lo strumento in costruzione si basa sullo scanner XRF costruito all'interno della collaborazione per i beni culturali dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN CHNet), e nasce con lo scopo di riuscire ad effettuare un'analisi completa, con la possibilità di mappatura del campione in esame. In questo elaborato vengono introdotti ed esposti i concetti chiave del fenomeno della fluorescenza a raggi X, in modo da poter far comprendere al meglio sia il funzionamento della strumentazione che i dati ottenibili da tali misurazioni. E' inoltre trattata la strumentazione utilizzata in tali analisi, vengono quindi presentati sorgente e rivelatore e il loro meccanismo di funzionamento. Il mio lavoro di tesi, in particolare si concentra sulla ricerca di tali condizioni, in modo da poter impostare la sorgente dei raggi X ai valori ottimali di tensione e corrente ed il sistema di rivelazione con la migliore configurazione dei parametri caratteristici, tra cui peaking time, numero di canali, gain, temperatura di esercizio e tensione. Questo studio è necessario al fine di mettersi nelle migliori condizioni per misurare gli elementi presenti nei campioni osservati. I parametri sono stati trovati sperimentalmente attraverso misure su campioni. Il nostro interesse si è concentrato su materiali metallici. La collezione di oggetti utilizzati durante il lavoro, prevede la presenza di campioni caratterizzati dalla presenza di rame, tungsteno, ferro, zinco, piombo, alluminio, stagno, oro e argento. Successivamente si è proceduto con l'acquisizione in diverse condizioni di tensione ed intensità della sorgente e con la calibrazione di tutti gli spettri per ogni campione. Questo lavoro è fondamentale allo scopo di identificare le posizioni dei picchi e di conseguenza riconoscere le transizioni caratteristiche dei diversi elementi. Si è effettuato poi un confronto tra i diversi spettri di un medesimo campione, così da osservare quali sono le condizioni migliori per l'identificazione dei vari elementi. Infine come ultimo aspetto, si attua un confronto tra diversi spettrometri commerciali. In questa sezione vengono presi in considerazione alcuni aspetti, tra cui le differenti condizioni di acquisizione, in situ o in laboratorio tramite campionamento, e la differenza tra le sorgenti ed i rivelatori installati sui diversi macchinari.