Presentazione di PowerPoint - INFN-LNF
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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 1 /44 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 2 /44 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 3 /44 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 4 /44 PRODUZIONE DI RAGGI “X” Marco Catitti 5 /44 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 6 /44 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 7 /44 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 8 /44 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 9 /44 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 10 /44 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 11 /44 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 12 /44 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 13 /44 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 14 /44 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 15 /44 C DEAR Dafne Exotic Atoms Research Marco Catitti 16 /44 DEAR DAFNE K- e+ f e- K+ Marco Catitti 17 /44 DEAR L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Idrogeno Kaonico Marco Catitti 18 /44 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 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 19 /44 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 20 /44 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 21 /44 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 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 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 22 /44 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 23 /44 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 24 /44 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 25 /44 DEAR Lettura di una CCD Marco Catitti 26 /44 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 27 /44 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 28 /44 DEAR Marco Catitti 29 /44 Da DEAR a SIDDHARTA Obiettivi: 1 – misura dell’idrogeno Kaonico con precisione eV 2 – prima misura del deuterio Kaonico Marco Catitti 30 /44 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 31 /44 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 32 /44 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 33 /44 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 34 /44 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 35 /44 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 36 /44 DA DEAR A SIDDHARTA SIDDHARTA utilizza un rivelatore a grande costuittuito da SDD con un area attiva totale di area 192 cm2 Marco Catitti 37 /44 DA DEAR A SIDDHARTA SDDs array Beam pipe e- e+ Kaon trigger Marco Catitti Cryogenic target cell 38 /44 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 39 /44 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 40 /44 TEST SU SDD IN BTF Marco Catitti 41 /44 TEST SU SDD IN BTF Schema setup in BTF Cu Marco Catitti 42 /44 TEST SU SDD IN BTF setup in BTF Marco Catitti 43 /44 TEST SU SDD IN BTF Spettri ottenuti in BTF dove risulta ridotto il fondo grazie al sistema di trigger Marco Catitti 44 /44
