Marco Catitti

INDICE ARGOMENTI

I RAGGI “X”

SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”

DEARDEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

SIDDHARTASIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA

ANALISI SPETTROSCOPICA DEL PATRIMONIO CULTURALE

IL TRIGGER

SETUP DI MISURA E TEST IN BTF

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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I RAGGI “X”

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λ =c/ν

λ

λ -Lunghezza d’onda (m)

ν- Frequenza (Hz)

c – velocità della luca (m/s)

E – energia (eV)

h – costante di planck

E(eV) =1.24 / λ(µm)

100eV<E<1000Kev

10nm <λ< 0.001nm

Raggi “x”

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Marco Catitti

I RAGGI “X”

A seguito dell’interazione degli elettroni primari con il bersaglio si verificano i seguenti fenomeni:

Elettroni retrodiffusi il loro numero è maggiore con atomi pesanti

Interazioni con elettroni piu’ esterni molti di questi fuoriescono con bassa energia 10-100eV

Interazione con elettroni più interni producono le righe caratteristiche del bersaglio (anodo)

Diffusione anelastica in prossimità dei nuclei dell’anodo . Produzione dello spettro continuo (Bremsstrahlung)

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I RAGGI “X”

E =h* ν

Di questo processo solo 0.1% energia viene utilizzata per la produzione dei raggi “x” in restante 99,9% e trasformata in calore

La radiazione emessa è composta da due tipi spvrapposti di spettro

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PRODUZIONE DI RAGGI “X”

Marco Catitti 5 /44

PRODUZIONE DI RAGGI “X”

Marco Catitti

I raggi x vengono prodotti in appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di potenziale elettrico (decine di migliaia di volt)

gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale, per un fenomeno fisico assai complesso, emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x.

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INTERAZIONE DEI RAGGI “X” CON LA MATERIA

Marco Catitti

Per capire come vengono riveleti I raggi X osseriamo l’interazione con la materia

Ci sono tre tipi di interazione

Effetto fotoelettrico

Effetto compton

Produzione di coppie

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APPLICAZIONE DEI RAGGI ”X”

Marco Catitti

Le più importanti applicazioni dei raggi X si trovano nel campo della ricerca scientifica, nell'industria, nello studio del patrimonio culturale e in medicina.

Tramite il fenomeno della fluorescenza è possibile effettuare l’analisi non distruttiva degli elementi, composti chimici presenti in un campione

nell'industria metallurgica, vengono utilizzati nei metodi non distruttivi di controllo della qualità di leghe metalliche ottenute per fusione: le immagini a raggi X raccolte su opportune piastre fotografiche permettono infatti di individuare eventuali bolle

In medicina i raggi X trovano numerose applicazioni: la radiologia rappresenta un vero e proprio settore medico, caratterizzato da specifiche tecniche diagnostiche e terapeutiche.

Autenticità e ricerca metodi di restauro di opere d’arte

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La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X

LA FLUORESCENZA

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Marco Catitti

Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X)

RIVELATORE

Spettrometro portatile per l’analisi della fluorescenza dei raggi X

LA FLUORESCENZA

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Marco Catitti

Nello spettro di fluorescenza dell’affresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe, ocra gialla) e di oro (Au).

Questo tipo di analisi permette di verificare sia l’autenticità dell’opera che la presenza di eventuali restauri.

LA FLUORESCENZA

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Marco Catitti

I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare I deboli segnali prodotti da particelle sub-atomiche.

I RIVELATORI DI PARTICELLE

Nel nostro caso parleremo di rivelatori di fotoni associati alla radiazione elettromagneti nello spettro dei raggi X

I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia della radiazione emessa

In particolare I rivelatori al silicio sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale elettrico proporzionale all’energia dei fotoni incidenti.

T = 0 K T > 0 K

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Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (negative)

Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positive)

12 15Concentrazione atomi droganti ≈ 10 - 10 cm -3

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INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive (pochi elettroni-

lacune che si formano). Per aumentare la conduzione Si utilizza il silicio “DROGATO” cioè cristalli di silicio dove alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III e V gruppo

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Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P

All’equilibrio si forma una regione di carica spaziale

Marco Catitti

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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Un Rivelatore al silicio è una giunzione P-N che lavora in polarizzazione inversa, non ci interessa la corrente diretta ma il numero di elettroni immagazzinati.

V = tensione elettrica

Ne = Numero di elettroni

Co = Capacità di storage

Qe = Carica elettrone 1.6*10 C-19

Ogni qual volta una particella con una certa energia passa attraverso un rivelatore si creano coppie: elettrone – lacuna ,

Nei rivelatori al silicio ci vogliono 3,6 eV per formare una coppia elettrone - lacuna

Gli elettroni vengono raccolti dall’anodo per formare il segnale in tensione

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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DEAR

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DaDane Exotic Atoms Researchne Exotic Atoms Research

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DEAR

e-e-e+e+

DANE

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L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONEKAONE

Idrogeno

Idrogeno Kaonico

DEAR

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Marco Catitti

Per studiare tali transizioni nasce la necessità di usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X

Il K K dell’atomo esotico si trova nello stato eccitato in un’orbita esterna, non è stabile__

Dopo un certo tempo avviene la “diseccitazione” dell’atomo ci interessa la transizione 2P1S di K K spostata di alcune centinaia di eV da 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X in presenza della

Sola forza elettromagnatica

__

DEAR

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La misura del Kα e quindi di ∆E serve per determinare gli effetti della forte interazione ovvero trovare lo spostamento ε

Nella realtà quando andiamo a rivelare Kα ci sono anche altre particelle indesiderate che disturbano la nostra misura e che dobbiamo rigettare

DEAR

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La presenza di altre particelle provoca RUMORE diminuendo capacità di identificazione delle transizioni specifiche dell’atomo Kaonico,dobbiamo quindi riuscire ad ottenere un buon rapporto segnale/rumoresegnale/rumore per ottenere una buona RISOLUZIONE (100-200 eV)

DEAR

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Marco Catitti

In una misura su atomi esotici quali idrogeno e deuterio kaonici, il segnale è rappresentato da raggi X la cui energia è alcune centinaia di eV differente da 6.4 keV e 7.8 keV, rispettivamente, nel caso dell’idrogeno e in quello del deuterio. Queste sono le energie delle transizioni 2p1s , nella realta, in questa regione energetica ci sono delle transizioni indesiderate che rappresentano il rumore di fondo o background. Vi sono due tipi di fondo, quello sincronosincrono col segnale e quello asincronoasincrono

FONDO SINCRONO FONDO ASINCRONO

Il fondo sincrono è, per definizione, associato alla produzione dell’evento, in questo caso la formazione e il decadimento dell’atomo esotico:quando non è catturato in un’orbita atomica a formare l’atomo kaonico, viene assorbito nel materiale del setup e in quello del rivelatore e successivo decadimento .tale fondo in teoria non può essere eliminato ma per le proprietà topologiche di reiezione delle CCD, basate sul criterio del cut sul singolo pixel il rapporto segnale fondo vale risulta S/B 20 : 1 possiamo dire che il fondo adronico sincrono in DEAR è trascurabile

Il fondo asincrono è quello non correlato alla creazione dell’atomo esotico. È causato dalle particelle circolanti nell’anello e perse dai fasci, essenzialmente per quattro cause: l’effetto Toushek, cioè lo scattering elastico particella-particella entro lo stesso bunch con variazione di momento delle due particelle (una acquista e l’altra perde); l’apertura dinamica della macchina (la componente intrinseca, indipendente dell’effetto Toushek); l’interazione col vuoto residuo; la dinamica beam-beam nel punto di interazione (per la parte non lineare). I fondo asincrono misurato in DEAR: S/B 1:100

DEAR

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In DEAR sono stati usati come rivelatori al silicio le CCD (Charge Coupled Device)

Le CCD sono dispositivi allo stato solido a trasferimento di carica, immagazzinano informazione sotto forma di carica elettrica

DEAR

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Le CCD vengono utilizzate nelle telecamere e macchine fotografiche digitali, e sono delle matrici di pixel , ogni pixel è una giunzione P-N

La carica elettrica che si sviluppa all’interno dell CCD e dovuta al passaggio dei raggi X che crea coppie elettrone-lacuna

DEAR

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Per diminuire il rumore nelle CCD e quindi rigettare il segnale proveniente da altre particelle e non raggi-X vengono utilizzati dei sistemi software

Raggi X Altro

DEAR

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DEAR

Lettura di una CCD

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Il tempo necessario per leggere le CCD è di circa 30 sec. Un tempo di esposizione troppo elevato, come se fosse una macchina fotografica senza otturatore.

DEAR

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Marco Catitti

Per poter attenuare e eliminare questo inconveniente servono dei rivelatori con caratteristiche simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGERTRIGGER

Il TRIGGER TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo, ma non si può applicare alle CCD

DEAR

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Marco Catitti

DEAR

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Da DEAR a SIDDHARTA

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Obiettivi:

1 – misura dell’idrogeno Kaonico con precisione eV

2 – prima misura del deuterio Kaonico

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DA DEAR A SIDDHARTA

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wid

th

1s

[eV

]

KpX

-500 50000

200

400

600

800

1000

shift 1s [eV]

Dav

ies

et a

l, 19

79

Izyc

ki e

t al,

1980

Bir

d et

al,

1983

KpX (KEK)M. Iwasaki et al, 1997

=

- 3

23 ±

63

± 11

eV

=

407

± 2

08 ±

100

eV

DEAR

SIDDHARTA

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Scelta del rivelatore SDD per studi sull’atomo esotico

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1100

200

300

400

500

600

700

800

A (cm-2)

FW

HM

(eV

)

SDD PIN Si(Li) 150 K 5.9 keV line

PIN Tsh=20us

Si(Li) Tsh=20us

SDD Tsh=1us

FWHMmeas at monoenergetic line 5.9 keV, 1cm2 detector at 150 K

SDDFWHM=140eV shap =1sSi(Li)FWHM=180eV shap =15s PIN diodeFWHM=750eV shap =20sCCD FWHM=140eV frame=1s

DA DEAR A SIDDHARTA

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Il rivelatore di ultima generazione che può essere implementato un sistema di TRIGGER è SDD (SDD (SiliconSilicon Drift Detector) Drift Detector) introdotto nel 1983

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DA DEAR A SIDDHARTA

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Caratteristiche SDDCaratteristiche SDD:

• Substrato N-Type 300 µm alta resistività 3KΩ*cm

• n – JFET integrato

• Piccola capacità dell’anodo ( circa 100 fF) indipendente dall’area attiva

• efficenza 90 % @ 10Kev < 50% @ 15 Kev

• risoluzione 200 eV @ 6KeV ( -10 °C)

• drift time 600ns 30.000 count/s

DA DEAR A SIDDHARTA

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Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore

n

n+

p+ -Vcc

ANODE

Entrance window

La capacità ell’anodo è proporzionale all’area attiva del rivelatore

DA DEAR A SIDDHARTA

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n

n+

p+ -V cc

p+

I rivelatori a deriva

Anode

Entrance window

ANODO

La capacità dell’anodo è indipendente dall’area attiva.

DA DEAR A SIDDHARTA

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SIDDHARTA utilizza un rivelatore a grande costuittuito da SDD con un area attiva totale di area 192 cm2

DA DEAR A SIDDHARTA

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Beam pipe

Cryogenic target cellKaon trigger

e+

e-

SDDs array

DA DEAR A SIDDHARTA

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Il rivelatore di SIDDHARTA è composto da:

Modulo con 6 SDD (6*1cm2)

32 moduli

Ogni modulo contiene 6 SDD

32*6 = 192 SDD

Ciascun SDD ha un area di 1cm2. L’area totale attiva sarà di 192 cm2

DA DEAR A SIDDHARTA

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TRIGGER

Kaontrigger

Coincidencewindows

Detectedpulses

Consideredpulses

Kaon trigger X-ray pulseBackground pulse

dr max

Background reductions S/B = 5/1

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Marco Catitti

TEST SU SDD IN BTF

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Schema setup in BTF

Cu

TEST SU SDD IN BTF

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Marco Catitti

setup in BTF

TEST SU SDD IN BTF

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Marco Catitti

Spettri ottenuti in BTF dove risulta ridotto il fondo grazie al sistema di trigger

TEST SU SDD IN BTF

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