Fizikai Intézeti szeminárium 2012. október 24

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 1

Fizikai Intézeti szeminárium2012. október 24.

Az előadás és egyben az előterjesztett javaslat címe és tárgya:Kerüljön kialakításra az A/501-es labor helyiségben

„Roncsolásmentes mikroanyag vizsgálatok laboratóriuma”,

Ennek kapcsán bemutatjuk a TReLIBS, XRF, TEM berendezések kialakítására tett lépéseinket,

és a velük végzett és végezhető alap-, és alkalmazott kutatási témákat, valamint pályázati lehetőségeket.

A labor jelenlegi személyi állománya: Dr. Német Béla, Dr. Sánta Imre, Kaposvári Ferenc

Előadó: dr. Német BélaFI,Környezetfizika és Lézerspektroszkópia Tanszék


Az A/501-es laboratórium javasolt mérőberendezései és kutatási területei

A) Időbontást alkalmazó Lézer Indukált Plazma Emissziós Spektroszkóp (Time-Resolved Laser Induced Breakdown Spectroscopy (TReLIBS),

B) Röntgen-fluorescencia spektroszkóp pásztázó berendezéssel (XRF),

C) Transzmissziós és Pásztázó elektronmikroszkóp (TEM-SEM) + EDS


Az összefoglaló előadás, egyben a végzett munka szempontjai

1. A berendezések felépítése, paraméterei

2. Alapkutatási témák

3. Alkalmazott kutatási területek

4. Diákköri, doktori témák

5. Együttműködési lehetőségek egyetemen belül, Magyarországon, külföldön

6. Pályázati lehetőségek itthon és az EU-ban.

7. Publikációs lehetőségek

8. Oktatási anyagok, ismeretterjesztési munkák


Szeretnék megfelelni az A/501-es labor ajtaja melletti táblának


A). A TReLIBS berendezés bemutatása felépítése,

paramétereiIdőbontást alkalmazó Lézer Indukált Plazma

Emissziós Spektroszkóp

Time-Resolved Laser Induced Breakdown Spectroscopy (TReLIBS)

(Német Béla, Sánta Imre)


A TReLIBS berendezés jelenlegi állapota


A) Időbontást alkalmazó Lézer Indukált Plazma Emissziós Spektroszkóp - TReLIBS

Kontroller

Impulzusgenerátor

Oscilloszkóp

Diódasor

MCP

Minta

Polikromátor

Számítógép

Q-kapcsoltNd:YAG

lézerL1L2

Monitor


A) A TReLIBS berendezés főbb elemei, adatai

Q-kapcsolt Nd:YAG lézer (10-12 mJ, 10 ns)Monokromátor: (MDR 6/01) kettős, Cherny-Turner

elrendezésű, első rendben dolgozó, tükrös, rácsos monokromátor

Fényerő: 1:6; Fókusz: 300 mm; Rácsok 1200 vonal/mm; Hullámhossz tartomány: 169-1007 nm; Reciprok lineáris diszperzió: 1,3 nm/mm

Mérő, adatfeldolgozó rendszer: Dioda array, Micro Channel Plate (MCP hűtő rendszer), controller, impulzus generátor (késleltető 0-1,7 µs, kapuzó 0-3,0 µs), léptető motor, számítógép.

Mintavétel: Nyaláb nyak 0,1 mm-nél kisebb, teljesítmény sűrűség: 1010 W/cm2, kivett anyagmennyiség 200-300 ng.


A) 2. Alapkutatási témák

2.1. A plazma fejlődésének, az emisszió kinetikájának vizsgálata, a TReLIBS minőségi és mennyiségi analitikai alkalmazás feltételeinek meghatározása érdekében. (késeltetés, kapu) egy és többkomponensű (2-4), fém tartalmú minták esetében. (Cu, Ag, Au, Mn, Ca, Mg, Pb, ) [1-2]

2.2. Elektron hőmérséklet meghatározás Boltzmann plot módszerrel. (Cu, Pb,..) [6]

2.3. Plazma hőmérséklet meghatározás (Lorentz kiszélesedés útján) (Cu, Ag, Au). [4]

2.4. Vibrációs és a rotációs hőmérséklet meghatározása - indukált kétatomos szénmolekulák, (C2, CN, ) esetében. Pl. műanyagok, szerves festékek (szénhidrogén vegyületek) esetében keletkezik hidrogén (H-alfa vonala, mint „hőmérő”). [7]


A) 3. Alkalmazott kutatási területek

Méréstechnikák kidolgozása, alkalmazása:3.1. Nagyszámú elem esetében a főkomponensnél, minőségi és

mennyiségi analitikai vizsgálatok elvégzése (elemek: Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Ca, Mg, Na, K, Pb, Sb, Sn, Ge, Si,....), Pl. Alumíniumban a kimutatási határ Si és Sn esetében 70-130 ppm, Pb, Fe, Zn és Ni esetében 20-50 ppm, míg Mg, Cu, Mn, Cr és Ti esetében 5-10 ppm közé esik. [1-3]

3.2. Vonalpár arány módszer kidolgozása; hármas fémötvözetek minőségi és mennyiségi elemzése. (arany ékszerek, Au:Ag:Cu; vas ötvözet Fe:Cr:Ni; alumínium ötvözet Al:Mn:Mg; rézötvözet Cu:Zn:Ni).[4]

3.3. Azonosság, eltérés kimondása kriminalisztikában Lövedékek ólom magja alapján történő azonosítás kidolgozása (Cu, Ag, Sn, Sb, Bi) [4]

3.4. Félvezető komponensek vizsgálata (komponensek: Ge, Si, Sn, Sb)[5]3.5. Felület mikrotérképezése (Geofizikai, kristálytani minták, pl.Recsk) [6]3.6. Mélységi mikrotérképezés (több festékréteg vastagság és összetétel

mérése, Szervetlen festékek komponensei: Cr, Ti, Pb, Mn, Fe, Ca, Sr, Ba, Si,..) (0,1 mm-1,0 mm). [6]


A TReLIBS alapkutatási és alkalmazott kutatási

eredményeinek összefoglalóját egy külön PPT előadásban

készítettem el.


B. Az XRF berendezés felépítése, paraméterei

X-ray fluorescence (XRF), Röntgen-fluorescencia spektroszkóp +

pásztázó berendezés

(Kaposvári Ferenc, Sánta Imre)


B) Az XRF berendezés jelenlegi állapota


B) Az XRF, pásztázó

multi-elem analizátor

„felépítése”


B) Az XRF berendezés főbb elemei

- Röntgen forrás (0,5 kg, 2 W, vékony-berillium kilépő ablak, 500 µm-es nyalábpont átmérő), + (fejlesztés: polikapilláris lencse)

- Detektor: Si-pin detektor

- Slow Scan Frame Grabber

- Sokcsatornás analizátor (MCA) (1024-8192)

- Digitális impulzus processzor

- Mozgás vezérlő (CNC rendszerű) mélység vezérlő

- I/O mikrokontroller, hordozható számítógép

- LabView alapú vezérlés


ECLIPSE III típusú röntgencső paraméterei

Mennyiség Érték

Anódáram 100 µA Max (3 W max)

Anód (target) Földelt anód (Ag)

Katódfeszültség 5 -30 kV

Target Ag

Anód vastagság 4 µm (Ag)

Fókuszpont 1.5 mm

Be ablak 125 µm

Katód W

Tömeg 300 gramm


Hordozható XRF első kísérleti példánya


ED-XRF - Energiaspektrum


Az XRF előnyei analitikai szempontból

- a vizsgált anyagnak az elem-összetételét lágy röntgen sugárzással gerjesztett röntgen-fluoreszcencia mérésével határozza meg,

- roncsolás-mentes multi-elem vizsgálatot biztosít, (Na-tól U-ig) (határ: 1-100 ppm),

- pontszerű és vonalszerű mérést biztosít, - a minta felületi multi-elem térképe

készíthető el,- terepen használható mérőberendezés.


Az XRF berendezés pásztázó rendszerrel


Festmény vizsgálat:A Magányos cédrus

festékanyagának vizsgálata (Pécs,

Csontváry Múzeum, 2007. nov. 14.);

Rippl-Rónai Múzeum 2008. március


Élet fája c. kép: fehér festékminta diffraktogrammja


Festmény vizsgálat XRF-el: Csontváry Múzeum


Római lelet együttes vizsgálata XRF-el, 2009


Ólom mag vizsgálata XRF berendezéssel

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1

2

3

4

5

6

Rel

ativ

inte

nzita

s

A minta sorszáma

Sn Sb Cu Ag


Ólom mag vizsgálata TReLIBS berendezéssel

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

2

4

6

8

Belsõ standardPb 322.05 nm

Inte

nzitá

s ar

ányo

k ös

szeg

e

A lövedékek sorszáma

Sb 323.25 nm Cu 324.75 nm Ag 328.07 nm Sn 317.50 nm


C) Transzmissziós és Pásztázó elektronmikroszkóp

(TEM-SEM) + EDS berendezés bemutatása felépítése, paraméterei

(Kaposvári Ferenc, Sánta Imre)


C) JEOL-100C-sm az A/501-es laborban


C) JEOL-100CBrnoi Egyetem


C) A JEOL-100C alkalmazási lehetőségei

- Alkalmazási területe a biológián és az orvostudományon kívül a krisztallográfia, fémötvözetek, félvezetők vizsgálata. (inkább elem analitikai vizsgálatokra alkalmas, kevésbé morfológiai vizsgálatokra).

- A Transzmissziós üzemmódban (TEM) a felbontása 4 Angström volt (újonnan).

- Energia diszperzív analitikai üzemmódban (EDS) elemanalízis céljára is alkalmazható, akár néhány µm átmérőjű térrészből is.


5. Együttműködési lehetőségek egyetemen belül, Magyarországon, külföldön

Fizikai Intézeten belül (a TReLIBS, az XFS, és a TEM a Laser Cult Lab munkatársaival),

TTK-n belül: Természetföldrajzi Tanszék (Dezső József), Általános és Fizikai Kémiai Tanszék (Nagy Géza, Kovács Barna),

PTE-n belül: ÁOK Igazságügyi Orvostani Intézet,

Magyarországon: Miskolci Egyetem, Technoorg Linda Kft. (Bp.),

Európában: Applied Photonics Ltd.


Publikációk, TReLIBS[1] B. Német, L. Kozma: „Time–resolved optical emission spectrometry of Q–switched Nd:YAG

laser–induced plasmas from copper targets in air at atmospheric pressure”, Spectrochim. Acta, 50B, 1859–1888 (1995) .

[2] B. Német, L. Kozma: „Basic Investigations on Nanosecond Laser–Induced Plasma Emission Kinetics for Quantitative Elemental Microanalysis of High Alloys”, J. of Anal. At. Spectrom., 10, 631–636 (1995) .

[3] L. Paksy, B. Német, A. Lengyel, L. Kozma, and J. Czekkel: „ Production control of metal alloys by laser spectroscopy of the molten metals. Part 1. Preliminary investigations.”, Spectrochim. Acta, Part B 51B, 279-290 (1996).

[4] B. Német, L. Kozma: “Time–resolved line shape studies of Nd:YAG laser induced microplasmas arising from gold surfaces”, Fresenius J. Anal. Chem., 355, 904-908 (1996).

[5] B. Német, K. Musiol: Time-Resolved Optical Monitoring of Laser-Produced Plasma Derived from Germanium Contributions to Plasma Physics, 39, 85-88 (1999).

[6] B. Német, L. Kozma: in Proceedings of SPIE, OPTIKA' 98, 5th Congress on Modern Optics, Budapest, Hungary, 14-17 Sept. 1998, vol. 3573, p. 347.

[7] B. Német, K. Musiol, I. Sánta, J. Zachorowski: „Time-resolved vibrational and rotational emission analysis of laser-produced plasma of carbon and polymers”, J. of Molecular Structure, 511-512, 1-3, 259-270 (1999).

[8] B. Német, G. Kisbán: “Firearm lead bullet comparison by time-resolved laser-induced breakdown spectrochemical determination of tin, antimony, copper, silver and bismuth”, J. Forensic Science International, (1999).


Publikációk, előadások XRF eredményekről

[1] Velledits Lajos (festő-restaurátor), Kaposvári Ferenc: „Egy új roncsolás mentes festékvizsgálat, Két jelentős festőnk palettája”, XXXIII. Nemzetközi Restaurátor Konferencia, (Magyar Nemzeti Múzeum, Budapest 2008. április 8-11.

[2] Dezső, J., Kaposvári, .F., Kovaliczky, G., Csabai, Z., Bertók, G., Bódis, E., Páll-Gergely, B.: „Geoarchaeologycal research methods and investigation in the loess-covered South-Transdanubia, Hungary”. Landscape Evolution and Geoarchaeology, 13th Belgium-France-Italy-Romania-Geomorpholgical Conference, June 18-21. 2008. Porto Heli (Greece),

[3] János Földessy, Gyula Maros, László Andrássy, Ferenc Kaposvári, József Dezső: „New data acquisition techniques in mineral exploration”. Konferencia a bányászat jövőjéről, 2009. június 22. Skelleftea, Svédország.

[4] János Földessy, Gyula Maros, László Andrássy, Ferenc Kaposvári, József Dezső: „Core imaging and assaying instruments in mineral exploration” Securing the Future/8th ICARD, Skelleftea (Svédország) 2009. jun. 23-26. in The Swedish Association of Mines, Mineral and Metal Producers. Conference Book, 12p.


Javaslatok az A/501-es laboratórium kutatásainak, vizsgálatainak alkalmazási területeire, következtetések

Az 501-es helyiségben kialakításra kerülő„Roncsolásmentes mikroanyag vizsgálati laboratórium” három kutató berendezésének eddigi és jövőbeli alkalmazási területei:- Környezettudományi kutatások (talaj, levegő, víz, műanyag hulladékok elemanalízise),- Fúró minták, érc kutatás (Mecsek: urán és szén bánya nyitás)- Kriminalisztika (fémfelkenődések, lövedékek,..),- Régészeti feltárások, műtárgyak (régi fémtárgyak, festmények,..)

Folyamatos felkérések érkeznek a Fizikai Intézethez az előzőekben bemutatott vizsgálatokra

Konklúzió:

Létrejött a lehetősége az XRF, a TReLIBS és a TEM EDS Berendezések együttműködésének. Ezek a mérések egymást kiegészítő roncsolás mentes mikroanyag vizsgálati technikák.


Köszönöm a figyelmet mindhármunk nevében

Német Béla, Sánta Imre, Kaposvári Ferenc

Documents

Fizikai Intézeti szeminárium 2012. október 24