Proposta di ricerca: Qualità ottica delle superfici in cristalli da usare

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 semiisolante (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)