Presentazione di PowerPoint

ARDESIA (call Gr.V)
(ARray of DEtectors for Spectroscopy and Imaging Applications)
X-ray Spectroscopy for
Quantum Mechanics
investigations (Gr.III)
X-ray
K-
X-ray Spectroscopy in Nuclear
Physics experiments (Gr.III)
Nucleus
X-ray Spectroscopy with
Synchrotron light (Gr.V)
g-ray Spectroscopy and Imaging
in Nuclear Physics (Gr.III)
Gamma cameras for
Nuclear Medicine (Gr.V)
g ray
Goal: Development of a versatile
detection module based on arrays
of Silicon Drift Detectors and lownoise readout electronics
ARDESIA – call INFN gruppo V
[email protected]
Politecnico di Milano and INFN, Italy
Finalità del progetto:
•
sviluppo di un modulo di rivelazione basato su matrici di Silicon Drift Detectors (SDD)
lette da un preamplificatori CMOS e da un ASIC veloce, a basso rumore, con
prestazioni risultanti del modulo di rivelazione superiori allo stato dell’arte (SDD+JFET
integrato), e con tempi e costi di sviluppo inferiori.
•
rendere disponibile il modulo, grazie alla sua versatilità, a più attività di interesse INFN
(con la copertura di un range energetico X/g da 200eV a 15MeV):
•
•
Esperimenti di Fisica Nucleare (Siddharta, Gr.III) – rivelatore per X
•
Esperimenti di Meccanica Quantistica (VIP, Gr.III) – rivelatore per X
vantaggi: elevata area a basso costo, elevata risoluzione energetica
•
Fotorivelatori per scintillatori LaBr3 di grande volume (Gamma, Gr.III,
spettrometri gamma per Astrofisica) – rivelatore per g
vantaggi: migliore risoluzione energetica e linearità rispetto ai PMT, compattezza
•
Gamma camera per medicina nucleare (Gr.V) – rivelatore per g
vantaggi: compattezza, elevata ris. spaziale, compatibilità con campi magnetici
•
Spettroscopia X con luce di sincrotrone (Gr.V) – rivelatore per X
vantaggi: elevata risoluzione energetica ad alti tassi di conteggio
possibilità di ricadute industriali dei risultati raggiunti, applicabilità in Horizon2020
ARDESIA – call INFN gruppo V
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rivelatori SDD
singoli
La base di partenza (1):
•
•
Tecnologia SDD recentemente
sviluppata ai laboratori FBK di
Trento e già provata su unità
singole
Preamplificatore ‘CUBE’
recentemente sviluppato al
Politecnico di Milano
55Fe
prime matrici di
SDD (3x3)
radiation entrance window
spectrum
SDD
CUBE
prestazioni analoghe o
superiori (ad alti tassi di
conteggio) alla tecnologia
SDD+JFET integrato
(lo stato dell’arte)
1.0 ms shaping
time
(optimum)
123.0 eV FWHM
(ENC= 3.7 e- rms)
250ns shaping time
126.4eV FWHM
(ENC= 5.0 e- rms)
ARDESIA – call INFN gruppo V
record di risoluzione a
tempi di formatura così
brevi
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La base di partenza (2):
•
Precedenti esperimenti INFN di Gr.V
(DRAGO, VELA, IXO-HTRS,…) per
sviluppo di ASIC per SDD
ASIC: IXO-HTRS
Spettro ottenuto con un SDD
(10mm2), CUBE e ASIC HTRS
a 800.000 conteggi/s
(miglior risoluzione energetica a
tassi di conteggio così elevati)
ARDESIA – call INFN gruppo V
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Attività previste nel progetto:
•
Sviluppo di matrici di rivelatori SDD
•
miglioramento del processo (corrente di leakage, finestra di ingresso per X molli,
strati anti-riflesso per lettura scintillatori, passivazione per montaggio,…)
•
geometria del rivelatore (trade-off dimensione unità  prestazioni, riduzione tempo
di drift, deficit ballistico, riduzione aree morte,…)
•
Sviluppo elettronica integrata di lettura
• sviluppo di un ASIC unico per utilizzo sia in rivelazione X che g e con architettura di
multiplexing flessibile (lettura ‘sparse’, lettura ‘polling’)
• DAQ versatile per utilizzo modulo ARDESIA nelle diverse applicazioni X e g
•
Sviluppo di un modulo di rivelazione ‘versatile’ basato su matrice SDD+CUBE+ASIC
• disegno modulo con bassa area morta per affiancamento ottimale di matrici
• affidabilità, yield di assemblaggio e interconnessione, raffreddamento (Peltier, criog.)
• selezione materiali bassa radioattivita' per esperimenti sotterranei di eventi rari (VIP)
•
Sperimentazione nelle applicazioni previste (ed eventuali altre):
• utilizzo nell’upgrade dell’esperimento Siddharta-2 (in sinergia con attività Gr.III)
• utilizzo nell'upgrade dell'esperimento VIP ai LNGS (in sinergia con attivita' Gr. III)
• misure di spettroscopia ed imaging g con scintillatori LaBr3 di grande volume (in
sinergia con attività Gamma di Gr.III) – studio del timing
• implementazione in Anger camera per rivelazione g in medicina nucleare,
esplorazione compatibilità con MRI (possibile interesse industriale)
• sperimentazione con luce di Sicrotrone (DXR1-LNF, GILDA-ESRF, DIAMOND-UK) in
misure di spettroscopia X con elevata risoluzione ed elevati tassi di conteggio
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Il modulo di rivelazione
ARDESIA (disegno preliminare)
SDD array
Bonding wire
Preamplifier
Ceramic board
Copper block
Peltier cooler
Flex cable
Flex cable
connector
•
•
•
•
ARDESIA – call INFN gruppo V
3x3 or 4x4 SDDs
T ~ -20°C
1 CUBE/SDD
module crosssection limited by
silicon chip only
(no additional
dead area)
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L’ASIC di ARDESIA
Shaping Amplifier
(9th order)
Peak
Stretcher
Baseline
Holder
Peak
Stretcher
Logic
PRE
Fast
Shaper
INHIBIT and
RESET logic
PRE
PRE
RESET
/8
Pile Up
Rejector
Channel #1
Channel #2
Channel #16
M
U
X
Output
Buffer
OUT
SPARSE /
POLLING MUX
LOGIC
ADDRESS
Digital Section
SDD detector
Array and
CUBE
Preamplifiers
•
•
16 channel ASIC
Registers
/5
SPI
interface
Premessa: precedenti ASIC (INFN: DRAGO, IXO-HTRS, SIDDHARTA; altri: HICAM, ESA,
VERDI) per X e g hanno richiesto design diversi (funzionalità, guadagni, tempi di formatura,
tipologie di multiplexing richieste dai DAQ specifici degli esperimenti).
Obiettivo: disegnare un ASIC unico che possa essere utilizzato in uno spettro relativamente
ampio di applicazioni, dalla Spettroscopia X all’imaging gamma con scintillatori
ARDESIA – call INFN gruppo V
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IL DAQ di ARDESIA
•
•
Un’unico sistema DAQ per le applicazioni previste in ARDESIA
Disegno basato su componenti hardware/sofwtare modulari (es. National
Instrument), a basso costo e facilmente riconfigurabili (LabVIEW) per coprire le
diverse applicazioni.
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Use of ARDESIA detection module in SIDDHARTA-2 (Gr.III)
K-
X-ray
Strong interaction studies al low energy
(non-perturbative QCD in strangeness
sector) through precise X-ray spectroscopy
measurements of Kaonic atoms transitions
Nucleus
Kaonic hydrogen
higher
Kα
Kβ
ARDESIA
M. Bazzi et al., “Preliminary
study of kaonic deuterium
X-rays by the SIDDHARTA
experiment at DAFNE”,
Nucl. Phys. A907 (2013)
69-77.
EM value
K-p Kα
Opportunity to upgrade the apparatus with 200cm2 of
detectors from the ARDESIA development
(performances, costs). Possibility of use in similar
experiments at J-PARC (Japan)
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Use of ARDESIA detection module in Quantum Mechanics
Tests – experiment VIP and collapse of wave function (Gr.III)
L’esperimento VIP (Gr.III) misura
transizioni atomiche degli elettroni
sul livello 1s del rame proibite dal
principio di esclusione di Pauli PEP
(transizioni in cui sono gia’ presenti 2
elettroni sul livello 1s)
C. Curceanu et al., “Experimental tests of Quantum Mechanics: from
Pauli Exclusion Principle Violation to spontaneous collapse models”,
2012 J. Phys.: Conf. Ser. 361 012006.
ARDESIA
Possibile utilizzo in nuovi
esperimenti di test meccanica
quantistica – es. emissione raggi X
riconducibile al collasso della
funzione d’onda (teoria GRW)
L’utilizzo dei nuovi moduli di rivelazione
SDD sviluppati in ARDESIA, per un totale
di 20-30cm2, permetterebbe di migliorare il
limite sulla probablillita’ di violazione di
circa 3 ordini di grandezza, portandolo nel
range dove una possibile violazione indotta
dal nuova fiica ( tipo “large compactified
extradimensions”) diventerebbe misurabile.
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Use of ARDESIA module for HIGH energy gamma detection
g ray
source
F. Birocchi, et al., “Position sensitivity of
large volume LaBr3:Ce detectors” NSS
Conference Record (NSS/MIC), 2009
IEEE, Page(s): 1403 – 140.
ARDESIA
advantages vs PMTs
• compactness, low voltages
• energy resolution
• linearity with large signals (>10MeV)
g detector
Application in Nuclear physics: Doppler
broadening recovery in spectroscopy
measurements of radioactive sources
moving at relativistic velocity, by means
of position localization (res. ~ 1cm)
(esperimento Gamma, Gr.III)
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Use of ARDESIA module for LOW energy gamma detection
Basic unit for
Gamma cameras for
Nuclear Medicine
(140keV, Tc99)
ARDESIA
50 mm
C.Fiorini, et al., “The HICAM gamma camera”, IEEE
Trans.Nucl.Sci., Vol. 59, n.3, June 2012, Page(s) 537-544.
advantages vs PMTs
• compactness, low voltages
• spatial resolution
• compatibility with magnetic fields
suitable photodetector for multi-modality
SPECT/MRI imaging systems (see FP7INSERT project)
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Use of ARDESIA in DAFNE-Light soft X-ray beamline
- Wiggler soft x-ray beam line
- Working range 0.9 - 3.0 keV
- TOYAMA double crystal monochromator with KTP (011), Ge (111), Si
(111), InSb (111) and Beryl (10-10) crystals
- Soft X-ray absorption spectroscopy and tests of optics and detectors.
ARDESIA
Synchrotron
X-ray beam
X-ray
Fluorescence
beam
I0
ARDESIA
ARDESIA – call INFN gruppo V
IT
With ARDESIA the chance to study dilute samples using
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X-ray absorption spectroscopy in fluorescence mode
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Originalità, innovazione del progetto e la sua relazione
con lo stato dell'arte
1) Innovazione tecnologica associata al modulo di rivelazione
•
Modulo di rivelazione SDD di grande area (5-7cm2), con prestazioni
superiori allo stato dell’arte (ref. produttori commerciali PNSENSOR,
KETEK, Amptek, Canberra..), con minore costo (e sviluppo interamente
italiano).
•
Modulo di rivelazione + CUBE+ ASIC: soluzione compatta, versatile con
molteplicità di applicazione nella rivelazione X e g
2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo
modulo (1)
•
•
Uso nell’upgrade di Siddharta-2: misure delle transizioni sui livelli 1s e 2p
per il deuterio kaonico, e l’elio kaonico, mai effettuate finora per
indisponibilità di rivelatori di grande area attiva, con elevata
risoluzione e con una stabilita’ al di sotto di qualche eV a 6 keV.
I risultati avrebbero un impatto che va dalla fisica delle particelle e nucleare
all’astrofisica (ruolo della stranezza nelle stelle di neutroni).
Potenziali utilizzo in esperimenti a J-PARC (Giappone)
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2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo
modulo (2)
• nell’esperimento VIP permetterebbe di effettuare una misura di altissima
precisione delle transizioni X in rame proibite dal principio di esclusione di
Pauli (abbassamento di 2-3 ordini di grandezza dell’attuale limite sulla
probabilita’ di violazione del principio di Pauli). Potenziale utilizzo in altri esp.
Meccanica Quantistica (collasso funzione d’onda).
• Spettroscopia di assorbimento X o XAFS. ARDESIA offre notevoli vantaggi
rispetto ai rivelatori presenti al momento sulle linee DXR1-LNF e GILDA-ESRF.
Rispetto alla tecnologia HP-Ge, vantaggi immediati sono i seguenti:
1) possibilità di montaggio all'interno della camera di misura (sotto vuoto) con
conseguente incremento dell'angolo solido raccolto;
2) aumento del max count rate (~1Mcps/cm2) rispetto ai sistemi disponibili;
3) un aumento di quasi un ordine di grandezza del potere risolutivo
(rapporto tra le densità di due elementi contigui nella tavola periodica presenti
nello stesso campione).
4) Riduzione dei tempi di acquisizione, incremento del rapporto
segnale/rumore. ARDESIA metterebbe a disposizione di una grossa
comunità di utenti di luce di sincrotrone uno strumento con caratteristiche
di rilievo. Potenziale interesse con i nuovi free electron laser.
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2) Innovazione prodotta nelle applicazioni che utilizzerebbero questo
modulo (3)
• Nell’utilizzo come fotorivelatore per scintillatori, ARDESIA offrirebbe
sicuramente dei vantaggi rispetto ai più convenzionali PMT utilizzati nelle
applicazioni:
• Possibilità di raggiungere una migliore risoluzione energetica e spaziale.
• Maggiore compattezza rispetto a PMT.
• Tensioni di alimentazioni più basse (100V rispetto a più di 1000V).
• Il modulo di rivelazione basato su SDD offrirebbe inoltre migliore linearità
di risposta, in particolare ad elevate energie gamma (>10MeV) dove i PMT
mostrano limiti di saturazione (anche i SiPM).
• Potenziale compatibilità con i campi magnetici del modulo ARDESIA, per
possibili applicazioni di imaging multimodale (SPECT/MRI), un contesto in
cui i PMT non possono essere utilizzati.
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Rilevanza e attualità del progetto in relazione alla mission
INFN e in particolare alle tematiche di interesse della CSN5
• Sviluppo di moduli di rivelazione SDD raffreddati con Peltier ed elettronica
associata già tematica di interesse della CSN5 (es. esperimenti DRAGO,
IXO-HTRS, …).
• Potenziale impiego di ARDESIA in almeno due esperimenti INFN di Gr.III:
SIDDHARTA-2 (sigla Kaonnis) e VIP. Benefici di tipo tecnico/scientifico ed
economico.
• Uso di ARDESIA come fotorivelatore di scintillatori. Interesse della sigla
GAMMA di Gr.III dove è in corso già da alcuni anni un’attività di R&D per
esplorare l’impiego degli SDD per la lettura di scintillatori LaBr3 di grande
volume per misure di fisica nucleare. Possibile applicazione in medical
imaging.
• Il modulo ARDESIA risulterebbe utilizzabile anche in misure con luce di
Sincrotrone. Una milestone del progetto prevede di dotare la beamline
DXR1 dei LNF di un rivelatore a grande area che consenta di effettuare
misure che oggi non sono possibili causa la mancanza di un rivelatore
adeguato. Sperimentazione prevista anche in GILDA (ESRF).
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- altre Commissioni Scientifiche INFN
Gr.III: esperimenti SIDDHARTA-2, VIP e GAMMA.
- istituzioni esterne e laboratori di ricerca, nazionali e/o internazionali;
•
Sono attive collaborazioni (SIDDHARTA-2 e VIP) con:
SMI-Vienna; IFIN-HH Bucarest (Romania), TUM-Monaco Germania; RIKEN e Univ.
Tokyo (Giappone), Univ. Zagreb (Croatia), istituti interessati a prendere parte attiva al
progetto ARDESIA
•
Linea GILDA. Francesco D’Acapito, co-responsabile della linea GILDA alla European
Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble e membro della delegazione italiana
della Advisory Financial Committee di ESRF.
•
Diamond Light Source, UK. Nicola Tartoni, Head of Detector Group.
- industrie, soggetti pubblici o privati che co-‐finanziano la ricerca;
•
•
•
Nel caso in cui ARDESIA fosse incluso nell’accordo MEMS3 tra FBK e INFN vi sarebbe un
importante co-finanziamento al progetto da parte di FBK.
Due assegnisti e un dottorando del Politecnico di Milano sono finanziati su contratti
dipartimentali per attività che si ritengono sinergiche con quelle dell’esperimento e quindi in
parziale co-finanziamento allo stesso.
La società Mediso (Ungheria), operativa nella strumentazione per medical imaging, ha
dichiarato interesse al progetto e al test dei rivelatori (vedi lettera)
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Impatto della ricerca per Horizon 2020
• ARDESIA può generare una soluzione tecnologica (moduli di rivelazione,
elettronica) per nuove proposte di progetti europei in ambito Horizon
2020 nei settori della ricerca scientifica, industriale e delle scienze della vita.
Acquisiti in passato progetti EC FP6 (HICAM, SIDDHARTA), FP7 (INSERT)
grazie alla disponibilità di tecnologia SDD ed elettronica relativa.
• Presentazione di una proposta (fine 2013) per un progetto nell’ambito del
futuro call Horizon2020 Infrastructures che seguira’ all’attuale progetto
HaddronPhysics3 su rivelatori di altissima precisione per misure di raggi X.
Verra’ presentato l’utilizzo di rivelatori SDD in sinergia con ARDESIA.
• La spettroscopia di assorbimento X o XAFS presenta notevoli
applicazioni in campi tecnologici (nanotecnologie) di sicuro interesse in
Horizon 2020.
• Uno degli scopi di Horizon 2020 è anche assicurare ai ricercatori europei
l’accesso alle grandi infrastrutture di ricerca dove possono essere fatte
misure avendo a disposizione la migliore strumentazione per effettuare
misure di notevole impatto scientifico e tecnologico.
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Impatto su possibili coinvolgimenti dell’industria
• Rivelatori di grande area (5-7cm2), modulari, a loro volta assemblabili in
formati ancora più grandi, con costi di produzione relativamente bassi,
potrebbe aprire uno scenario applicativo ad oggi ancora inesplorato dai
principali attori industriali (PNSENSOR, KETEK, AMPTEK, BRUCKER,
CANBERRA SII,..). Applicazioni: Medical Imaging, Radiation Monitoring,
Synchrotron Instrumentation, Analytical Instrumentation (ex. XRF) …..
• Durante il progetto verranno esplorate possibili ricadute industriali delle
tecnologie sviluppate, identificando piccole e medie imprese interessate a
sviluppare prodotti che ne possano aumentare il grado di competitività e che
oggi non posseggono le strutture, e risorse ed il know-how per un autonomo
sviluppo di queste tecnologie. Coinvolgimento anche in bandi Horizon2020
per SME.
Mediso (Ungheria): interesse alla sperimentazione dei prototipi.
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Implementazione del progetto
Le attività previste nel progetto sono strutturate in 4 WP:
WP1 – Sviluppo di matrici di rivelatori SDD.
Responsabile: Claudio Piemonte (FBK)*
WP2 – Sviluppo elettronica integrata di lettura e DAQ.
Responsabile: Carlo Fiorini (MI-INFN)
WP3 – Sviluppo del modulo di rivelazione e sua caratterizzazione.
Responsabile: Carlo Fiorini (MI-INFN)
WP4 – Sperimentazione nelle applicazioni.
Responsabile: Antonella Balerna (INFN-LNF)
* supervisore delle attività di sviluppo degli SDD anche se FBK non partecipa come unità nel
progetto (è prevista la partecipazione di TIFPA negli anni successivi)
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Piano temporale delle attività
Titolo milestone o deliverable
WP
D4.1
documento di specifiche richieste al modulo di rivelazione per le
applicazioni
WP4
M3.1
disegno del modulo di rivelazione e dei relativi componenti
(substrati, interconnessioni, Peltier, mecc.)
WP3
D1.1
dispositivi SDD da I run di produzione
WP1
M2.1
disegno, produzione e caratterizzazione I run di circuiti integrati
WP2
M2.2
sviluppo I prototipo DAQ
WP2
M3.2
realizzazione primo prototipo del modulo di rivelazione
WP3
M4.1
caratterizzazione di primi prototipi di SDD ed elettronica ai LNF
WP4
M4.2
caratterizzazione del primo prototipo del modulo di rivelazione
presso i LNF (gruppo Siddharta, Sinctrotrone)
WP4
M4.3
prime misure del modulo di rivelazione con scintillatori
WP4
M2.3
revisione, produzione e caratterizzazione II run di circuiti integrati
WP2
M3.3
revisione del modulo di rivelazione e della relativa
componentistica
WP3
D1.2
dispositivi SDD da II run di produzione
WP1
M2.4
revisione e sviluppo prototipo finale sistema DAQ
WP2
M3.4
realizzazione prototipo finale del modulo di rivelazione
WP3
M4.4
caratterizzazione del modulo di rivelazione finale presso LNF
(Siddharta, VIP)
WP4
M4.5
istallazione modulo presso il sincrotrone di Frascati e altri
sincrotroni (ESRF) e sperimentazione (es. EXAFS).
WP4
01 - 03
ARDESIA – call INFN gruppo V
04 - 06
07 - 09
10 - 12
13 - 15
16 - 18
19 - 21
22 - 24
25 - 27
28 30
31 - 33
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34 - 36
Unità partecipanti
• INFN-Milano (Carlo Fiorini, Resp.Naz.)
Ruoli e compiti: modulo di rivelazione, elettronica
integrata, cooperazione allo sviluppo del DAQ, supporto
alla sperimentazione nelle applicazioni, misure di
spettroscopia e imaging gamma con scintillatori LaBr3 di
grande volume, supervisione del disegno e della
produzione di matrici di rivelatori Silicon Drift Detectors
(sviluppo presso FBK a Trento).
C.Fiorini (PO)
R.Peloso (Assegnista)
P.Busca (Assegnista)
A.Giaz (Assegnista)
B.Nasri (Dottorando)
M.Occhipinti (Dottorando)
P.Trigilio (Dottorando)
Totale
0.6FTE
1.0FTE
1.0FTE
0.5FTE
1.0FTE
1.0FTE
1.0FTE
6.1FTE
A.Balerna (Primo Ricercatore)
E.Bernieri (Ricercatore)
S.Mobilio (PO)
M. Iliescu (Ricercatore)
I.Tucakovich (Dottoranda)
M.Bazzi (Tecnologo)
A.D’Uffizi (Tecnologo)
E.Sbardella (Borsista)
Totale
0.4FTE
0.4FTE
0.4FTE
0.1FTE
0.2FTE
0.2FTE
0.1FTE
0.2FTE
2.0FTE
• INFN-LNF (Antonella Balerna). Questa unità
comprende due gruppi: DAFNE-Luce, SIDDHARTA
Ruoli e compiti: sviluppo DAQ, sperimentazione
rivelatori per spettroscopia X (bassa temperatura,
stabilità linearità, bassa radioattività, ecc.), studio
dell’applicazione in esperimenti INFN di gruppo III
(SIDDHARTA, VIP), istallazione di moduli di rivelazione
presso le linee di luce di sincrotrone DXR1 (LNF) e
GILDA (ESRF) e conduzione di esperimenti di
caratterizzazione.
• è prevista la partecipazione formale di TIFPA (Trento) come unità dal II anno
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Richiesta finanziaria
Unità
I anno
MI-INFN
Consumo
109 (+79 SJ)
Inventario
45
Missioni IT
11
Missioni E
7.5
TOT Unità
172.5 (+79 SJ)
LNF
Consumo
15.5
Inventario
16
Missioni IT
5.5
Missioni E
3.0
TOT Unità
40
TOT progetto
212.5 (+79 SJ)
I costi in tabella sono indicati in keuro.
II anno
III anno
TOT
150 (+79 SJ)
10
10
8
178 (+79 SJ)
20
0
12
12
44
279 (+158 SJ)
55
33
27.5
394.5 (+158 SJ)
20.5
40
5
3.5
69
247 (+79 SJ)
12.5
18.5
5
5
41
48.5
74.5
15.5
11.5
150
544.5 (+158 SJ)
85
nota: i costi SJ riguardano la differenza di costo per i run di produzione di rivelatori FBK
qualora essi non fossero considerati sotto l’accordo INFN-FBK MEMS3. Qualora il
progetto ARDESIA rientri invece in questo accordo, i costi indicati come SJ non vanno
considerati.
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