il dimostratore per misure al
terahertz
Serena Gagliardi, Maryam Khojastehfar e Mauro Falconieri
ENEA-FSN-TECFIS, C.R. Casaccia
TERZO WORKSHOP PROGETTO COBRA
Frascati, 19 gennaio 2017
outline
inquadramento progettuale
la radiazione al terahertz (THz) nel campo dei beni culturali
dimostratore THz–TDS (Time-Domain Spectroscopy)
collegamento in remoto con il laboratorio
analisi dei tempi di volo e stratigrafia
attività prevista nel progetto
WP2 - Potenziamento degli assets di Ricerca e Sviluppo
Attività 5 - Sviluppo sistemi diagnostici dimostratori.
«… dimostratore THz imaging basato su sorgenti commerciali operanti
in selezionate regioni spettrali per realizzare scanner su area inferiore al
m2 a distanza dell’ordine del cm…»
frequenze
(energie) poco
assorbite
radiazione
penetrante e
non ionizzante
frequenze dell’ordine del THz (0.1÷10THz)
ovvero lontano infrarosso 3÷300 cm-1
THz nei beni culturali
la radiazione al terahertz può essere usata come sonda per
analizzare campioni in modo non distruttivo, non invasivo e
contactless, applicabile a tutti i materiali non metallici
applicazioni riportate:
lo studio dei materiali: pigmenti, coloranti e leganti
organici, supporti lignei o tele
lo studio della stratigrafia e rivelazione di distacchi
parziali su dipinti: murali, affreschi, su tela e pala
l’osservazione della struttura di vasi ceramici e oggetti
lignei
la studio di mummie e ossa
esempi di applicazione
• la stratigrafia e la rivelazione di un danno strutturale in un frammento di
affresco del sedicesimo secolo del monastero di Dazhao in Mongolia
• la composizione chimica di un inchiostro rosso su pergamena
• la tomografia della tavola dipinta Polittico di Badia di Giotto di Bondone
(collezione del Museo degli Uffizi, Firenze)
• la riflettività di pigmenti su tavola
riflessione
tomografia
Pagina 5
la tecnica Time-Domain Spectroscopy
la regione spettrale del lontano infrarosso (o THz) è diventata
facilmente accessibile con la disponibilità di laser a impulsi
ultracorti che eccitano antenne fotoconduttive (PCA).
laser pulse
THz pulse
100fs
PCA
PCA
la tecnica Time-Domain Spectroscopy
l’impulso non è monocromatico ma contiene un intervallo di frequenze
miscelate con ampiezza differente. Lo spettro delle frequenze si ottiene con la
trasformata di Fourier:
dal dominio del
tempo
FFT
Fast Fourier Transform
vantaggi: emissione a larga banda
svantaggi: lunghi tempi di acquisizione
a quello delle
frequenze
valori tipici per sistemi THz-TDS:
frequenza massima 3 THz
risoluzione 7 GHz
il dimostratore in riflessione
(collegamento con CR Casaccia)
relazione fre tempo di ritardo dell’eco e
distanza fra le interfacce:
sample
ccalcolata
per un angolo di incidenza di 45°, ccome
nel nostro sistema
misure di tempo di volo
analisi del tempo di volo e stratigrafia
relazione fre tempo di ritardo dell’eco
e distanza fra le interfacce:
calcolata per un angolo di incidenza
di 45°, come nel nostro sistema
risoluzione spaziale laterale: 3 mm (misurata)
(causata dall’aberrazione cromatica delle lenti
delle PCA)
risoluzione in profondità: 100 mm (stimata dalla
larghezza del picco del segnale)
l’acquisizione dati in pratica
(collegamento con CR Casaccia)
posizionamento del campione
lancio dell’acquisizione dati
acquisizione dati
analisi dei dati -1
signal intensity (nA)
1.5
800 mm
gypsum
reference
1.0
0.5
0.0
-0.5
0
10
20
30
40
time (ps)
convoluzione tra impulso di
sonda e risposta del
campione
∞
𝑆 𝑡 =
la forma dell’impulso di sonda si
ricava misurando un riflettore
perfetto (specchio)
𝐼 𝑡 − 𝜏 𝑅 𝜏 𝑑𝜏
−∞
come ricavare R?
S=segnale sperimentale
I=impulso di sonda
R=risposta del campione
analisi dei dati -2
1.5
signal intensity (nA)
sfruttando le sole
proprietà della
deconvoluzione non si
riesce ad identificare
echi senza ambiguità
gypsum
reference
1.0
applicando*:
un algoritmo di analisi
data per ridurre il rumore
e evidenziare l’intervallo
temporale rilevante
0.5
0.0
-0.5
0
10
20
30
40
time (ps)
* J. Takayanagi, et al. Opt. Express 17(9),
7533–7539 (2009).
1.0
deconvolved signal
% (2)
a=5x1016 t=600 fs
response signal
signal (a.u.)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.8
0.6
Dt=8,3 ps
d=730 mm
0.4
0.2
0.0
0.0
0
20
40
60
80
time (ps)
risoluzione teorica: tGauss = 600fs
Dd ~60mm
risoluzione sperimentale: FWHM dei picchi=1.9 ps
0
20
40
time (ps)
Dd=170mm
60
80
analisi dei dati -3
l’algoritmo di analisi dati è stato implementato usando un software commerciale
(collegamento con C.R. Casaccia)
conclusioni e prospettive
è stato realizzato un dimostratore per misure di assorbimento e
riflessione nella regione del THz
è possibile caratterizzare campioni in trasmissione e riflessione
ottenendo informazioni su
1. composizione
chimica
tramite
spettroscopia
in
assorbimento nell’intervallo spettrale 0.1-3 THz (3-100 cm-1)
2. stratigrafia tramite misure di tempo di volo
3. imaging di strati sepolti tramite misure di riflettività su
campioni di alcuni centimetri quadri
l’acquisizione dei dati è relativamente lenta (diversi minuti per
punto) ma si possono sviluppare sistemi per velocizzarla
l’analisi dati della stratigrafia può essere sviluppata ulteriormente
per migliorarne le prestazioni
grazie per l’attenzione
