Strumenti di CdTe per raggi X e Gamma
Le esigenze della moderna astronomia a raggi X e Gamma richiedono per il futuro strumentazione
sempre più efficiente e versatile per la realizzazione di telescopi spaziali che consentano una
esplorazione più dettagliata e profonda del cosmo in questa banda di energia. Una tecnologia, adatta a
questi scopi e attualmente in forte sviluppo, è quella dei rivelatori di Tellururo di Cadmio (CdTe).
L’utilizzo di questo materiale offre grandi potenzialità nella costruzione di rivelatori adatti a costruire
immagini del cielo nella banda di energia compresa fra qualche keV il MeV e contemporaneamente a
determinare la distribuzione dell’energia (spettro) dei fotoni provenienti dalle diverse sorgenti celesti.
+
e- h
Il Tellururo di Cadmio (CdTe) è un semiconduttore a stato solido. In questo tipo di rivelatore i fotoni (X o Gamma) che
interagiscono all’interno del materiale cedono energia agli elettroni (e-) della banda di valenza elevandoli nella banda di
conduzione e lasciando un “buco” [lacuna] (h+) nella prima. In questo modo si generano delle coppie di cariche di segno
opposto (elettroni e lacune) che vengono trascinate da una differenza di potenziale. Le cariche raccolte ai due elettrodi
opposti producono un segnale elettrico che opportunamente trattato fornisce una misura dell’energia ceduta dal fotone.
Efficienza (%)
Campo Elettrico
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10
Il CdTe, con una densità di 6.1 g/cm3 e un
numeri atomici (Z) di 48 e 52, è un rivelatore
di raggi X e Gamma molto efficiente (dove per
efficienza si intende la capacità di assorbire
l’energia dei fotoni) anche rispetto ad altri
materiali utilizzati in questo campo. La figura
a sinistra confronta la percentuale di fotoni
che interagiscono in diversi materiali di un cm
di spessore al variare dell’energia del fotone
stesso: Germanio (Ge), Silicio (Si), Ioduro di
Sodio (NaI), Ioduro di Cesio (CsI).
CdTe
Ge
Si
NaI
CsI
100
Energia (keV)
1000
4000
122 keV
3000
Conteggi
Fotoni x o gamma
2000
1000
Picchi di fuga
0
0
136 keV
50 100 150 200 250 300 350
Canali
Nel CdTe l’energia necessaria per produrre una coppia elettrone-lacuna è di 4.4 eV. Questo
significa che il CdTe è un buon spettrometro cioè permette di determinare precisamente
l’energia ceduta dal fotone che interagisce. Nella figura sopra a destra è mostrato lo spettro (la
distribuzione dell’energia ceduta dai fotoni al materiale) di una sorgente di un isotopo
radioattivo del Cobalto (57Co) che emette raggi gamma a 122 e 136 keV in diversa
percentuale. I picchi di fuga (a sinistra del picco più alto) sono dovuti alla cattura di una
frazione dell’energia da parte degli elettroni degli orbitali più interni degli atomi del Cadmio e
del Tellurio.
Nel CdTe la differenza di energia
fra la banda di valenza e quella di
conduzione (band gap=1.45 eV)
consente a questi rivelatori di
lavorare come spettrometri a
temperature ambiente al contrario
di altri semiconduttori come Si e Ge
che richiedono di essere raffreddati
anche a temperature molto basse
(per il Ge a –200 °C). Questo è
un’importante vantaggio per la
realizzazione di strumenti che
devono operare nello spazio, dove
l’uso di complessi sistemi di
raffreddamento è molto difficile e
costoso.
Nel disegno sopra è mostrato un possibile schema per la costruzione di un rivelatore per fare immagini del cielo X e Gamma a partire da
piccoli cristalli di CdTe delle dimensioni di 2 mm ×2 mm ×10 mm ciascuno (i “bastoncini” argentati che si vedono anche nella fotografia di
destra dove sono mostrati alcuni piccoli prototipi di laboratorio). Il rivelatore finale conterrebbe più di 4000 “bastoncini” per una superficie di
circa 160 cm2.
Per saperne di più:
un telescopio a maschera con rivelatore di CdTe proposto per la stazione spaziale (http://www.tesre.bo.cnr.it/Research/TWISTER/)
•
•TWISTER:
•BASIS: un telescopio per la rivelazione dei lampi di luce gamma con rivelatore di CZT (http://lheawww.gsfc.nasa.gov/docs/cai/basis.html)
•Laboratorio PHASE: uno dei primi laboratori scientifici a sviluppare la tecnologia del CdTe (www-phase.c-strasbourg.fr/cdte/detectr.html)
