LOGOS
Proposta di un esperimento INFN - gruppo V
Laue Optics for Gamma-ray ObservationS
INFN-Fe e INFN-LNL
LOGOS
Descrizione
Tematica
Rivelatori
Obiettivi:
Produzione lenti di Laue per focalizzare raggi X duri o
Gamma (nel range 80-1000 keV) attraverso l’induzione di
curvatura controllata in cristalli di silicio e germanio
Unità Operative
UO1: INFN-FE
• Curvatura meccanica: film tensili o compressivi
• Caratterizzazione X (<100keV) @ LARIX
• Interferometria Ottica
UO2: INFN-LNL
• Impiantazione ionica
• Diffrazione di raggi X
• Rutherford back scattering
Durata:
2 anni
Lenti di Laue
X rays
Laue lens
Focal plane
detector
• Dispositivo ottico per concentrare la radiazione avente energia entro una certa banda
passante (raggi x hard/ γ soft) verso un rivelatore.
• I cristalli sono disposti in cerchi concentrici e diffrangono in geometria trasmissiva
Motivazioni scientifiche
Supernove di tipo Ia
Studio della linea di emissione a 847 keV
prodotta dal decadimento del 56Ni nelle
esplosioni di supernova Ia.
Catena di decadimento del 56Ni:
Candele standard usate dai
cosmologi per determinare la
forma dell’universo su grande
scala
Lo studio della linea emissiva a
847 keV fornirà informazioni
utili per validare modelli
cosmologici e per investigare la
nucleosintesi delle supernove.
Linea di annichilazione e+/e- (511 keV)
L’origine dei positroni nella gassia
Binarie X di piccola massa (LMXRB)?
Materia oscura ? Decadimento di 26Al ?
Necessità di risolvere sorgenti puntiformi
(P. von Ballmoos, J. Knödlseder et al., 2005, A&A, 441, 513)
Risultati recenti
Immagini della Galassia ottenuta con i fotoni di energia 511 keV sono dominate da
un bulbo centrale descrivibile come la sovrapposizione di due gaussaine aventi
FWHM rispettivamente di 3.5° e 11.5°
Il rapporto tra le luminosità del centro e del disco galattico sono circa 2-3
L'emissione proveniente dal disco galattico più interno mostra una distinta
asimmetria
Imaging in nuclear medicine: SPECT
Cristallo curvo
(geometria di LAUE)
Rivelatore
99Mo
→ 99mTc + β−+ νe
Decay of 99mTc to 140 keV
photons
Sorgente di raggi gamma
99mTc
→ 99Tc + γ
Rispetto alle metodologie attuali, l’uso di cristalli curvi migliorerebbe la
rivelazione di raggi gamma nella diagnostica SPECT, provvedendo una migliore
risoluzione e l’esposizione del paziente ad una più bassa dose di radiazioni.
Imaging in nuclear medicine: PET
Una lente di Laue realizzata con cristalli curvi potrebbe concentrare fotoni di 511 keV
prodotti nelle reazioni di annichilazione e fornire immagini con una maggiore
risoluzione rispetto a quelle ottenute con gli strumenti attuali.
Metodo delle indentazioni
LSS ha prodotto 150 cristalli di germanio di dimensioni
30x10x2 mm3, deformati tramite indentazioni superficiali e
con orientazioni cristallografiche atte ad eccitare l’effetto di
quasi-mosaicità.
Guidi et. al. 2011, J. Appl. Cryst., 44, 1255
Camattari et. al. 2013, Meccanica
Cristalli indentati testati tramite
diffrazione in geometria Laue.
Scopo dell’esperimento è studiare le
performances dei cristalli.
Normalized counts
Caratterizzazione presso ESRF
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
20
Bellucci et al. Exp. Astron. 31 (2011) 45–58
10
0
arcseconds
10
20
Fascio di raggi x di energia tra 150 e 700 keV
con elevata monocromaticità e bassa
divergenza.
Cristalli curvi permettono di focalizzare e
concentrare raggi x di elevata energia con
elevata
efficienza
di
diffrazione
e
permettono inoltre di incrementare la banda
passante della lente.
Stato dell’arte
• Metodo delle indentazioni dimostrato ed ottenuta elevata
riproducibilità.
• Banda passante proporzionale alla curvatura secondaria del
cristallo e allo spessore.
• Il metodo funziona fino a spessori di 2 mm (corrispondente a
circa 5 arcsec).
• Rimozione significativa di materiale
• Necessità di spessori più elevati per banda passante più ampia
Scopo dell’esperimento
Realizzazione di cristalli di silicio e germanio curvi mediante
deposizione di film tensionati:
• film sottili (decine a centinaia di nm)
• film spessi (da micron a mm)
Deformazione controllabile agendo su:
•
•
•
•
natura del film
spessore del film
condizioni di deposizione del film
patterning del film tramite tecniche fotolitografiche
Deformazioni indotte da film sottili o spessi
(INFN-Fe)
• Deposizione di film sottili (qualche centinaia di nm) tramite tecniche
tipicamente utilizzate in microelettronica:
•
Ottimizzazione delle condizioni di deposizione per ottenere elevati
stress e deformazioni dei substrati.
•
Possibilità di controllare lo spessore depositato con accuratezza
nanometrica.
• Deposizione di film spessi (da qualche μm a qualche mm)
• Minore controllo sullo spessore depositato, ma maggiore stress.
• Riutilizzo delle conoscenze già acquisite nell’esperimento COHERENT in cui si
operava però con cristalli molto sottili (200 um) per un ondulatore cristallino
e si cercavano stress modesti.
Deformazioni indotte da
impiantazione di ioni (LNL)
Swelling indotto da impianto ionico in Si curvatura
• Controllo spessore swelling -> curvatura
Ikeyama, M et al., S.
Surface swelling of MeV Si ion implanted silicon.
In Ion Implantation Technology Proceedings, 1998
International Conference on; 1999, 736.
• Patternabilità
Giri, P.; Raineri, V.; Franzo, G.; Rimini, E.
Mechanism of Swelling in Low-energy Ionirradiated Silicon. Physical Review B 2001, 65.
Impiantazione ionica: test preliminari
Campione: Si (300 𝜇m)
Tipo di ione: Ar+
Enegia: 150 keV
Rp = 150 nm
ΔRp = 45 nm
Fluenza: 2x1016 cm-2
• Rcurv ~ 50 - 70 m (impianto)
• Rcurv ~ 40 m (meccanico)*
(*) Camattari, R.; Guidi, V.; Bellucci, V.; Neri, I.; Frontera, F.; Jentschel, M.
Self-standing Quasi-mosaic Crystals for Focusing Hard X-rays. Review of Scientific Instruments 2013, 84, 053110–053110–4.
Caratterizzazioni
• Morfologiche
• interferometria ottica (LSS)
• Strutturali
•
•
•
•
•
Diffrazione di raggi X 8 KeV (UniPd e LSS)
RBS (LNL)
SIMS (UniPd)
TEM/SEM (LNL)
LARIX, diffrazione raggi X in modalità
LAUE (UniFe)
ILL/ESRF (Grenoble)
Interesse da parte
di enti esterni
• Regione Emilia Romagna (ha già co-finanziato
una borsa di dottorato).
• Riba (Faenza) possibilità di ricadute
tecnologiche e fornisce servizi a prezzo di costo.
