INDICE ARGOMENTI
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
I RIVELATORI AL SILICIO
PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA
SPETTROSCOPIA : ANALISI DEL PATRIMONIO CULTURALE
DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
IL TRIGGER
SETUP DI MISURA E TEST IN BTF
M. Catitti, M. Iliescu,C. Petrascu, F. Sirghi, D. Sirghi,
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in conduttori, isolanti e semiconduttori e
sono caratterizzati dal parametro chiamato : resistenza elettrica (Ω) che lega la tensione
applicata e la corrente che scorre all’interno del materiale attraverso la legge di OHM
R molto piccolo CONDUTTORE ~ 10
-2
Ω*cm
V = R*I
legge di ohm
5
R molto elevato ISOLANTE ~ 10 Ω*cm
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Nella rappresentazione classica di microsistema planetario di un atomo costituito da un nucleo
centrale positivo (protoni + neutroni) e da cariche negative, elettroni che ruotano attorno ad esso.
Per un principio fondamentale della fisica gli elettroni legati ad un nucleo possono assumere solo
determinati valori di energia nell’ambito di un insieme discontinuo di livelli, che anche se molto
vicini sono comunque nettamente separati l’uno dall’altro.
Questo modello è soddisfacente per descrivere un atomo isolato, ma i termini del problema mutano
completamente all’interno di un cristallo formato da numerosi atomi, qui gli elettroni sono liberi di
muoversi senza uscire da esso, questo movimento di cariche rappresenta la corrente elettrica.
Per un cristallo quindi non si parlerà di livelli di energia ma di bande di energia ottenendo due
possibili configurazioni: bande permesse separate da bande proibite oppure bande parzialmente
sovrapposte.
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Nel primo caso, nei conduttori, anche l’azione di un debole campo elettrico può spostare elettroni
dalla banda di valenza a quella di conduzione per avere corrente elettrica.
Nel secondo, negli isolanti, gli elettroni non andranno mai nella banda di conduzione, un alevato
campo elettrico provocherebbe solamente una perforazione del materiale
Nel caso intermedio , nei semiconduttori, le bande permesse sono separate da un intervallo proibito
di energia di pochi eV ( es 1.12 eV del silicio). I semiconduttori puri possono condurre elettricità ad
elevata temperatura e grandi campi elettrici.
Introducendo ad arte nel cristallo di un semiconduttore intrinseco puro degli atomi diversi
“drogaggio”che interrompono la sua regolarità periodica introduciamo nuovi livelli energetici dentro
l’intervallo proibito aumentando cosi la conducibilità.
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
La maggior parte dei dispositivi elettronici, compresi I rivelatori utilizzati nel
nostro esperimento si basano su semiconduttori al SILICIO
Il SILICIO è un elemento chimico cristallino del IV gruppo della tavola
periodica degli elementi.
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
T=0K
T>0K
Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive
(pochi elettroni-lacune che si formano).
Per aumentare la conduzione Si utilizza il silicio “DROGATO” cioè cristalli di
silicio in cui alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III
e V gruppo
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Il SILICIO drogato con Fosforo e
chiamato di TIPO N (negative)
Il SILICIO drogato con Boro e
chiamato di TIPO P (positive)
Concentrazione atomi droganti ≈ 10 12 - 10 15 cm -3
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P
All’equilibrio si forma una
regione di carica spaziale
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
La tensione di solglia in diretta è dovuta alla
barriera di giuzione che vale 06 – 07 V
RIVELATORI AL SILICIO
Un Rivelatore al silicio è una giunzione P-N che lavora in polarizzazione inversa, non ci
interessa la corrente diretta ma il numero di elettroni immagazzinati.
V = tensione elettrica
Ne = Numero di elettroni
Co = Capacità di storage
-19
Qe = Carica elettrone 1.6*10
Ogni qual volta una particella con una certa energia passa attraverso un rivelatore si creano coppie:
elettrone – lacuna ,
Nei rivelatori al silicio ci vogliono
3,6 eV per formare una coppia
elettrone - lacuna
Gli elettroni vengono raccolti
dall’anodo per formare il segnale in
tensione
C
LA FLUORESCENZA
Uno degli utilizzi del rivelatore al silicio è l’identificazione degli elementi chimici presenti in un
campione ( es: opere d’arte, analisi della composizione del terreno) permettendo un’analisi non
distruttiva non invasiva conoscendo il valore dell’energia che colpisce il rivelatore che è tipica
dell’elemento (es: Fe 6.3 Kev) .
L’analisi degli elementi tramite rivelatore al silicio si effettua grazie al principio della fluorescenza
La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da
alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X
LA FLUORESCENZA
Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X)
Spettrometro portatile per l’analisi della
fluorescenza dei raggi X
RIVELATORE
LA FLUORESCENZA
Nello spettro di fluorescenza dell’affresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe, ocra
gialla) e di oro (Au).
Questo tipo di analisi permette di verificare sia l’autenticità dell’opera che la presenza di eventuali
restauri.
DEAR
Dafne Exotic Atoms Research
DEAR
L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE
Idrogeno
Idrogeno Kaonico
DEAR
Il K
_
dell’atomo esotico si trova nello stato eccitato in un’orbita esterna,
non è stabile
Dopo un certo tempo avviene la
“diseccitazione” dell’atomo ci interessa la
_
transizione 2P1S di K pari a 6,2 Kev cioè
radiazioni nello spettro dei raggi X
Per studiare tali transizioni nasce la necessità di
usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X
DEAR
La misura del Kα e quindi di ∆E serve per determinare gli effetti della forte interazione ovvero
trovare lo spostamento ε
Nella realtà quando andiamo a
rivelare Kα ci sono anche altre
particelle indesiderate che
disturbano la nostra misura e che
dobbiamo rigettare
DEAR
La presenza di altre particelle provoca RUMORE diminuendo capacità di
identificazione delle transizioni specifiche dell’atomo Kaonico, dobbiamo
quindi riuscire ad ottenere un buon rapporto segnale/rumore per ottenere
una buona RISOLUZIONE (100-200 eV)
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
In una misura su atomi esotici quali idrogeno e deuterio kaonici, il segnale è rappresentato da raggi
X la cui energia è alcune centinaia di eV differente da 6.4 keV e 7.8 keV, rispettivamente, nel caso
dell’idrogeno e in quello del deuterio. Queste sono le energie delle transizioni 2p1s , nella realta,
in questa regione energetica ci sono delle transizioni indesiderate che rappresentano il rumore di
fondo o background. Vi sono due tipi di fondo, quello sincrono col segnale e quello asincrono
FONDO SINCRONO
Il fondo sincrono è, per definizione, associato
alla produzione dell’evento, in questo caso la
formazione e il decadimento dell’atomo
esotico:quando non è catturato in un’orbita
atomica a formare l’atomo kaonico, viene
assorbito nel materiale del setup e in quello
del rivelatore e successivo decadimento .tale
fondo in teoria non può essere eliminato ma
per le proprietà topologiche di reiezione delle
CCD, basate sul criterio del cut sul singolo
pixel il rapporto segnale fondo vale risulta
S/B 20 : 1 possiamo dire che il fondo
adronico sincrono in DEAR è trascurabile
FONDO ASINCRONO
Il fondo asincrono è quello non correlato alla
creazione dell’atomo esotico. È causato dalle
particelle circolanti nell’anello e perse dai fasci,
essenzialmente per quattro cause: l’effetto
Toushek, cioè lo scattering elastico particellaparticella entro lo stesso bunch con variazione di
momento delle due particelle (una acquista e
l’altra perde); l’apertura dinamica della
macchina (la componente intrinseca,
indipendente dell’effetto Toushek); l’interazione
col vuoto residuo; la dinamica beam-beam nel
punto di interazione (per la parte non lineare). I
fondo asincrono misurato in DEAR: S/B 1:100
DEAR
In DEAR sono stati usati come rivelatori al silicio le CCD (Charge Coupled Device)
Le CCD sono dispositivi allo stato solido a trasferimento di carica,
immagazzinano informazione sotto forma di carica elettrica
DEAR
Le CCD vengono utilizzate nelle telecamere e macchine fotografiche digitali, e sono delle
matrici di pixel , ogni pixel è una giunzione P-N
La carica elettrica che si sviluppa all’interno dell CCD e dovuta al passaggio dei raggi X
che crea coppie elettrone-lacuna
DEAR
Per diminuire il rumore nelle CCD e quindi rigettare il segnale proveniente da altre particelle e non
raggi-X vengono utilizzati dei sistemi software
Raggi X
Altro
DEAR
Lettura di una CCD
DEAR
Il tempo necessario per leggere le CCD è di circa 30 sec. Un tempo di esposizione troppo
elevato, come se fosse una macchina fotografica senza otturatore.
DEAR
Per poter attenuare e eliminare questo inconveniente servono dei rivelatori con caratteristiche
simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGER
Il TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il
rumore di fondo, ma non si può applicare alle CCD
DEAR
DEAR
Da DEAR a SIDDHARTA
Da DEAR a SIDDHARTA
Il rivelatore di ultima generazione che può essere implementato un sistema di TRIGGER è
SDD (Silicon Drift Detector) introdotto nel 1983
Da DEAR a SIDDHARTA
Caratteristiche SDD:
• Substrato N-Type 300 µm alta resistività 3KΩ*cm
• n – JFET integrato
• Piccola capacità dell’anodo ( circa 100 fF) indipendente dall’area attiva
• efficenza 90 % @ 10Kev < 50% @ 15 Kev
• risoluzione 200 eV @ 6KeV ( -10 °C)
• drift time 600ns 30.000 count/s
Da DEAR a SIDDHARTA
Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore
p+
Entrance window
-V cc
n
n+
ANODE
La capacità ell’anodo è proporzionale all’area attiva del rivelatore
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
I rivelatori a deriva
Entrance window
-Vcc
p+
n
n+
p+
Anode
ANODO
La capacità dell’anodo è indipendente dall’area attiva.
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Acquisizione con trigger
Kaon
trigger
Coincidence
windows
tdr max
Detected
pulses
Considered
pulses
Kaon trigger
Background pulse
Background reductions
X-ray pulse
S/B = 5/1
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
SDDs array
Beam pipe
e-
e+
Kaon trigger
Cryogenic target cell
Da DEAR a SIDDHARTA
Catena di acquisizione
Da DEAR a SIDDHARTA
Schema setup in BTF
Cu
Da DEAR a SIDDHARTA
setup in BTF
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Spettri ottenuti in BTF
