Programma di ricerca Ferrrari/Dubecki
Stato progetto:
Rinnovo Visualizza il Rapporto finale inserito
Titolo italiano:
Cristalli per ottica a raggi x di alta energia e rivelatori bidimensionali per raggi x e gamma
Titolo inglese:
Crystals for high energy x-ray optics and imaging and x-ray and gamma ray detectors
Settore scientifico:
Proposta di ricerca:
Qualità ottica delle superfici in cristalli da usare per ingrandimento di immagini di raggi x o per la
produzione di fasci di raggi x di dimensione micrometrica.
Nel progetto precedente “Cristalli per ottica a raggi x per diagnostica del plasma e per celle fotovoltaiche” sono
stati realizzati monocromatori per raggi x basati su geometrie di diffrazione con angoli di incidenza o di
diffrazione rispetto alle superficie vicini all’angolo critico per la riflessione totale, di circa 0.3° per il germanio e
crsiatlli da usare come ingranditori o compressori di fasci poiani di raggi x con fattori di ingrandimento fino a 60
volte . In prossimità di questo intervallo angolare si possono ottenere:
La massima intensità diffratta in quanto ll’effetto dell’indice di rifrazione aumenta l’intervallo angolare
di diffrazione da pochi secondi a diverse centinaia di secondi
Il massimo effetto di ingrandimento o di riduzione della sezione del fascio diffratto, da usare per
l’ingrandimento di immagini a raggi x.
Nelle condizioni di incidenza fino a pochi fazioni di grado (0.05°) la planarità delle superfici cristalline è un
requisito fondamentale. Mentre la planarità di cristalli piani (wafers) è facilmente controllata fino a pochi nm
anche con tecniche ottiche, la planarità ed i modi di ottenere superficie interne piane in cristalli scanalati non
son0o mai stati studiati con dettaglio.
Nella presente linea di ricerca ci si propone di realizzare .
Studio delle tecnologie per la preparazione di superficie interne in cristalli scanalati per l’aumento della
planarità con tolleranza fino a poche decine di nm.
Perfezionamento delle tecniche ottiche o basate sulla diffrazione x per la misura delle planarità della
superficie
Realizzazione di Cristalli scanalati di germanio con fattori di compressione o di ingrandimento del fascio
fino a 200 volte (angoli di incidenza fino a 0.05°)
Focalizzazione di fasci di raggi x e gamma ad alta energia per diagnostica medica
La focalizzazione dei raggi x con energie da 16 a 500 keV è un compito difficile a causa del bassissimo indice di
rifrazione dei raggi x nella materia. Per basse energie dei raggi (<15 keV) la focalizzazione può avvenire
mediante lenti paraboliche con angoli di incidenza inferiori all’angolo di riflessione totale, corrispondente a
frazioni di grado cosicchà l’apertura ottica delle lenti così realizzate è comunque molto piccola.
La focalizzazione di raggi x ad alta energiè è particolarmente importante sia per ottenere immagini delle
emissioni gamma nello spazio (gamma-ray astronomy) che per la diagnostica medica dove vengono rivelati
l’emissione di fotoni di raggi x con energia fino a qualche centinaio di keV.
Per focalizzare raggi x ad alta energia è stata proposta la diffrazione da cristalli in trasmissione (geometria di
Laue). Una lente è costituita da una schiera di singoli cristalli orientati in modo da focalizzare un fascio di raggi
x paralleli in un punto (Lente di Laue). Tuttavia siccome l’efficienza di diffrazione diminuisce rapidamente con
l’energia dei raggi a causa della riduzione dell’intervallo di diffrazione nei cristalli perfetti (larghezza di Darwin).
Questo limite può essere superato nei cristalli idealmente imperfetti (cristalli a mosaico) o nei cristalli con piani
di diffrazione opportunamente curvati (Malgrange Keytel et al.) mediante gradiente di composizione o
deformazione elastica. In questo caso la larghezza di diffrazione è data dalla curvatura totale dei mpiani
attraversati dal fascio in condizione di Bragg e la riflettività può essere prossima al 100% (Buffagni et al.
Barriere et al.).
In questa parte del progetto si intende studiare la possibilità di estendere i risultati ottenuti in un progetto in
corso supportato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) per la realizzazione di una lente per astronomia per raggi
gamma per applicazioni mediche. In particolare nelle tecniche diagnostiche come la SPECT (Single Photon
Emission Tomography) e la PET (positron Electron Tomography) la risoluzione spaziale e la dose al paziente
potrebbero essere rispettivamente migliorata e ridotta tramite un sistema di focalizzazione dei fasci di raggi
gamma.
L’obiettivo del progetto è lo studio di cristalli adatti per la realizzazione di una lente per raggi gamma, in
particolare di cristalli curvi e del disegno della disposizione e del dimensionamento dei singoli cristalli.
C. Malgrange, Cryst. Res. Technol. 37 (2002).
S. Keitel, C. Malgrange, T. Niemoller and A. D. Schneider, Acta Cryst. A55,
E. Buffagni, C. Ferrari, F. Rossi, L. Marchini and A. Zappettini, Optical Engineering 51, 056501-
N. Barriere,V. Guidi, V. Bellucci, R. Camattari,T. Buslaps, J. Rousselle, G. Roudil, F.-Xavier Arnaud, P., Bastie
and L. Natalucci (2012) J. Appl. Cryst. (2010). 43, 1519–1521
Rivelatori per raggi gamma
-Una nuova generazione di semiconduttori a base di raggi gamma comprenderà il GaAs semi-isolante (SI) come
il miglior candidato grazie alle caratteristiche fisiche come fattore di attenuazione e il basso costo. Altri materiali
potenziali includono i composti CdTe (Telloruro di Cadmio) e InP (Fosfuro di Indio). Recenti sviluppi nella
metallizzazione degli elettrodi e nella topologia del dispositivo verranno applicati nella progettazione del nuovo
rivelatore. L’obiettivo sarà lo sviluppo di un rivelatore di raggi gamma bidimensionale. Lo sforzo sarà rivolto al
miglioramento dell’efficienza del dispositivo, in particolare dell’efficienza quantica e della risoluzione in energia.
I metodi di passivazione delle superfici mediante la deposizione di nitruro di silicio con deposizione chimica al
plasma (PE CVD)saranno oggetto di ulteriori ricerche.
Obiettivi:
Metodi per studiare la planarità di superfici cristalline in cristalli scanalati
Prototipi basati su assemblaggio di cristalli curvi per la focalizzazione di fasci di raggi x tra 15 e 500 keV
Rivelatori di raggi gamma a pixel a basso rumore basati su GaAs semiisolante e carburo di silicio (SiC)
Pianificazione del lavoro
Piano di lavoro primo anno:
Caratterizzazione elettrica e strutturale dei materiali semiconduttori per la realizzazione dei rivelatori
Studio delle geometrie per la focalizzazione dei raggi fgamma
Misura della planarità di superficie incistalline in cristalli scanalati
Piano di lavoro secondo anno:
Preparazione di un rivelatore basato su GaAs e Sic a singolo pixel o area
Schema di un prototipo di lente per raggi x ad alta energia adatto per diagnostica medica
Piano di lavoro terzo anno:
- Preparazione di un cristallo scanalato di germanio con taglio asimmetrico e con planarità di superficie
superiore a 10-20 nm.
- Preparazione di un cristallo ingranditore o compressore di immagine per raggi x in due dimensioni con alta
efficienza da applicare per le fonti di laboratorio o sincrotrone
- Preparazione del rivelatore a pixel di Sic of GaAs
- Prototipo di lente per raggi x ad alta energia adatta per applicazioni mediche
