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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 2

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 3

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 4

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 5

A). A TReLIBS berendezés bemutatása felépítése,

paramétereiIdőbontást alkalmazó Lézer Indukált Plazma

Emissziós Spektroszkóp

Time-Resolved Laser Induced Breakdown Spectroscopy (TReLIBS)

(Német Béla, Sánta Imre)

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 6

A TReLIBS berendezés jelenlegi állapota

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 7

A) Időbontást alkalmazó Lézer Indukált Plazma Emissziós Spektroszkóp - TReLIBS

Kontroller

Impulzusgenerátor

Oscilloszkóp

Diódasor

MCP

Minta

Polikromátor

Számítógép

Q-kapcsoltNd:YAG

lézerL1L2

Monitor

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 8

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 9

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]

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

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]

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 11

A TReLIBS alapkutatási és alkalmazott kutatási

eredményeinek összefoglalóját egy külön PPT előadásban

készítettem el.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 12

B. Az XRF berendezés felépítése, paraméterei

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

pásztázó berendezés

(Kaposvári Ferenc, Sánta Imre)

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 13

B) Az XRF berendezés jelenlegi állapota

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 14

B) Az XRF, pásztázó

multi-elem analizátor

„felépítése”

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 15

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 16

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 17

Hordozható XRF első kísérleti példánya

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 18

ED-XRF - Energiaspektrum

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 19

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 20

Az XRF berendezés pásztázó rendszerrel

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 21

Festmény vizsgálat:A Magányos cédrus

festékanyagának vizsgálata (Pécs,

Csontváry Múzeum, 2007. nov. 14.);

Rippl-Rónai Múzeum 2008. március

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 22

Élet fája c. kép: fehér festékminta diffraktogrammja

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 23

Festmény vizsgálat XRF-el: Csontváry Múzeum

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

Római lelet együttes vizsgálata XRF-el, 2009

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 25

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 26

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 27

C) Transzmissziós és Pásztázó elektronmikroszkóp

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

(Kaposvári Ferenc, Sánta Imre)

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 28

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

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 29

C) JEOL-100CBrnoi Egyetem

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 30

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 31

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 32

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).

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 33

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 34

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.

2012. 10. 24. TReLIBS, XRF, TEM SEM EDS 35

Köszönöm a figyelmet mindhármunk nevében

Német Béla, Sánta Imre, Kaposvári Ferenc