Presentazione di PowerPoint - INFN-LNF

INDICE ARGOMENTI
I RAGGI “X”
SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”
PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA
ANALISI SPETTROSCOPICA DEL PATRIMONIO CULTURALE
INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
IL TRIGGER
SETUP DI MISURA E TEST IN BTF
Marco Catitti
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I RAGGI “X”
λ
λ =c/ν
Raggi “x”
10nm <λ< 0.001nm
100eV<E<1000Kev
E(eV) =1.24 / λ(µm)
Marco Catitti
λ -Lunghezza d’onda (m)
c – velocità della luca (m/s)
ν- Frequenza (Hz)
E – energia (eV)
h – costante di planck
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I RAGGI “X”
A seguito dell’interazione degli elettroni primari con il bersaglio si verificano i
seguenti fenomeni:
Elettroni retrodiffusi il loro numero è
maggiore con atomi pesanti
Interazioni con elettroni piu’ esterni
molti di questi fuoriescono con bassa
energia 10-100eV
Interazione con elettroni più interni
producono le righe caratteristiche del
bersaglio (anodo)
Diffusione anelastica in prossimità dei
nuclei dell’anodo . Produzione dello spettro
continuo (Bremsstrahlung)
Marco Catitti
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I RAGGI “X”
Di questo processo solo 0.1% energia viene utilizzata per la produzione dei raggi “x”
in restante 99,9% e trasformata in calore
E =h* ν
La radiazione emessa è
composta da due tipi
spvrapposti di spettro
Marco Catitti
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PRODUZIONE DI RAGGI “X”
Marco Catitti
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PRODUZIONE DI RAGGI “X”
I raggi x vengono prodotti in appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di
vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di
potenziale elettrico (decine di migliaia di volt)
gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un
metallo pesante, in genere tungsteno, il quale, per un fenomeno fisico assai
complesso, emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x.
Marco Catitti
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INTERAZIONE DEI RAGGI “X” CON LA MATERIA
Per capire come vengono riveleti I raggi X osseriamo l’interazione con
la materia
Ci sono tre tipi di interazione
Effetto fotoelettrico
Effetto compton
Produzione di coppie
Marco Catitti
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APPLICAZIONE DEI RAGGI ”X”
Le più importanti applicazioni dei raggi X si trovano nel campo della ricerca
scientifica, nell'industria, nello studio del patrimonio culturale e in medicina.
Tramite il fenomeno della fluorescenza è possibile effettuare l’analisi non
distruttiva degli elementi, composti chimici presenti in un campione
nell'industria metallurgica, vengono utilizzati nei metodi non distruttivi di
controllo della qualità di leghe metalliche ottenute per fusione: le immagini a
raggi X raccolte su opportune piastre fotografiche permettono infatti di
individuare eventuali bolle
In medicina i raggi X trovano numerose applicazioni: la radiologia rappresenta
un vero e proprio settore medico, caratterizzato da specifiche tecniche
diagnostiche e terapeutiche.
Autenticità e ricerca metodi di restauro di opere d’arte
Marco Catitti
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LA FLUORESCENZA
La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono
colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X
Marco Catitti
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LA FLUORESCENZA
Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X)
Spettrometro portatile per l’analisi della
fluorescenza dei raggi X
RIVELATORE
Marco Catitti
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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.
Marco Catitti
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I RIVELATORI DI PARTICELLE
I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare I deboli
segnali prodotti da particelle sub-atomiche.
Nel nostro caso parleremo di rivelatori di fotoni associati alla radiazione elettromagneti nello
spettro dei raggi X
I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia della radiazione emessa
In particolare I rivelatori al silicio sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al
suo interno per formare un segnale elettrico proporzionale all’energia dei fotoni incidenti.
T=0K
Marco Catitti
T>0K
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INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive (pochi elettronilacune che si formano). Per aumentare la conduzione Si utilizza il silicio “DROGATO” cioè
cristalli di silicio dove alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III e V
gruppo
Il SILICIO drogato con Boro e
chiamato di TIPO P (positive)
Il SILICIO drogato con Fosforo e
chiamato di TIPO N (negative)
Concentrazione atomi droganti ≈ 10 12 - 10 15 cm -3
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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INTRODUZIONE AI 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
Marco Catitti
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C
DEAR
Dafne Exotic Atoms Research
Marco Catitti
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DEAR
DAFNE
K-
e+
f
e-
K+
Marco Catitti
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DEAR
L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE
Idrogeno
Idrogeno Kaonico
Marco Catitti
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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 2P1S di K spostata di alcune
centinaia di eV da 6,2 Kev cioè radiazioni
nello spettro dei raggi X in presenza della
Sola forza elettromagnatica
Per studiare tali transizioni nasce la
necessità di usare rivelatori al silicio
sensibili a raggi X
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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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)
Marco Catitti
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DEAR
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 2p1s , 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
Marco Catitti
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
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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
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
Altro
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DEAR
Lettura di una CCD
Marco Catitti
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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.
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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DEAR
Marco Catitti
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Da DEAR a SIDDHARTA
Obiettivi:
1 – misura dell’idrogeno Kaonico con precisione eV
2 – prima misura del deuterio Kaonico
Marco Catitti
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DA DEAR A SIDDHARTA
1000
KpX (KEK)
800
200
0
-500
Marco Catitti
SIDDHARTA
0
shift e1s [eV]
Bird et al, 1983
400
DEAR
Davies et al, 1979
600
Izycki et al, 1980
KpX
e = - 323 ± 63 ± 11 eV
G = 407 ± 208 ± 100 eV
width G1s [eV]
M. Iwasaki et al, 1997
500
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DA DEAR A SIDDHARTA
Scelta del rivelatore SDD per studi sull’atomo esotico
SDD PIN Si(Li) 150 K
800
5.9 keV line
700
PIN Tsh=20us
600
FWHM (eV)
FWHMmeas
at monoenergetic line 5.9 keV,
1cm2 detector at 150 K
500
SDD
FWHM=140eV
Si(Li)
FWHM=180eV
PIN diode
FWHM=750eV
CCD
FWHM=140eV
400
300
Si(Li) Tsh=20us
200
100
0
SDD Tsh=1us
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
tshap =1ms
tshap =15ms
tshap =20ms
tframe=1s
A (cm-2)
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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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
Marco Catitti
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DA DEAR A SIDDHARTA
I rivelatori a deriva
Entrance window
-Vcc
p+
n
n+
p+
Anode
ANODO
La capacità dell’anodo è indipendente dall’area attiva.
Marco Catitti
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DA DEAR A SIDDHARTA
SIDDHARTA utilizza un rivelatore a grande costuittuito da SDD con un
area attiva totale di area 192 cm2
Marco Catitti
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DA DEAR A SIDDHARTA
SDDs array
Beam pipe
e-
e+
Kaon trigger
Marco Catitti
Cryogenic target cell
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DA DEAR A SIDDHARTA
Il rivelatore di SIDDHARTA è composto
da:
32 moduli
Ogni modulo contiene 6 SDD
32*6 = 192 SDD
Ciascun SDD ha un area di
1cm2. L’area totale attiva sarà di
192 cm2
Modulo con 6 SDD (6*1cm2)
Marco Catitti
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TRIGGER
Kaon
trigger
Coincidence
windows
tdr max
Detected
pulses
Considered
pulses
Kaon trigger
Background pulse
Background reductions
Marco Catitti
X-ray pulse
S/B = 5/1
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TEST SU SDD IN BTF
Marco Catitti
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TEST SU SDD IN BTF
Schema setup in BTF
Cu
Marco Catitti
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TEST SU SDD IN BTF
setup in BTF
Marco Catitti
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TEST SU SDD IN BTF
Spettri ottenuti in BTF dove risulta ridotto il fondo grazie al sistema di trigger
Marco Catitti
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