LOGOS
Proposta di un esperimento INFN - gruppo V
Laue Optics for Gamma-ray ObservationS
INFN-FE e INFN-LNL
Andrea Mazzolari,
08/10/2013, Roma
LOGOS
Descrizione
Tematica
Rivelatori
Obiettivi:
Produzione di elementi ottici per 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 (<150keV) @ LARIX
• Interferometria Ottica
UO2: INFN-LNL
• Impiantazione ionica
• Diffrazione di raggi X
• Rutherford back scattering
Durata:
2 anni
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
812 e 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 gaussiane aventi
FWHM rispettivamente di 3.5° e 11.5°
Il rapporto tra le luminosità del centro e del disco galattico è 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.
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
Cristalli curvi
• In un cristallo non curvo
efficienza di diffrazione non
maggiore a 50% a causa di
re-diffrazioni.
• In un cristallo curvo
efficienza di diffrazione
prossima a 100%.
• Realizzazione di cristalli curvi
tramite deformazione QM
<112>
Quasi mosaic (QM)
curvature
<110>
<111>
<111>
• Cristalli intrinsecamente curvi
per contenere il peso
<110>
<112>
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 ottenuto con
elevata riproducibilità.
• Banda passante proporzionale alla curvatura secondaria del
cristallo e allo spessore.
• Il metodo funziona fino a spessori di 2 mm (banda passante
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.
Deformazioni indotte da
impiantazione di ioni (LNL)
Swelling indotto da impianto ionico 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.
LOGOS: personale coinvolto
INFN-FE
INFN-LNL
Nome e tipologia
%
Nome e tipologia
%
Bellucci Valerio (Dottorando)
100
Giovanni Mattei (PO)
50
Guidi Vincenzo (PO)
20
Carlo Scian (Tecnologo)
50
Paternò Gianfranco
(Dottorando)
100
50
Mattarello Valentina
(Dottorando)
Mazzolari Andrea (RTD)
40
Virgilli Enrico (Assegnista)
50
Grazie
Grazie per l’attenzione!
Budget di spesa
Voci Spesa INFN-FE (primo anno)
Voci Spesa INFN-Fe+INFN-LNL
(secondo anno)
k€
Missioni
6.5
Consumabile
40
Trasporti
1.5
Manutenzione
5
Inventariabile
5
Costruzione apparati
9
Servizi
0
Missioni
Missioni
Consumabile
k€
5
11.5
Trasporti
0
Manutenzione
2
Inventariabile
0
Costruzione apparati
4
Servizi
1
11.5
Consumabile
31
Trasporti
1.5
Manutenzione
7
Inventariabile
5
Costruzione apparati
Servizi
Voci Spesa INFN-LNL (primo anno)
k€
3.5
1
