SUVRAD: Synchrotron UltraViolet Radiation facility At DA F NE

1. SUVRAD: Synchrotron UltraViolet Radiation facility At DAFNE Emanuele Pace Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Università di Firenze INFN, Sezione di Firenze

2. Beamlines @ DAFNE • La Synchrotron Radiation facility ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN utilizza l’intensa emissione di fotoni di DAFNE, l’anello di accumulazione da 0.51 GeV nel quale circola una corrente di elettroni superiore ad 1 A. • 3 beamlines sono operative: • La Synchrotron INfrared Beamline At DAFNE (SINBAD) che copre l’intera regione dell’IR; • La beamline nel soft X-ray che opera con un monocromatore a doppio cristallo e ad uscita fissa e lavora nel range 2 – 4 keV di energie che può essere esteso fino a 5 keV. • Una stazione UV alla wiggler branch line utilizzata attualmente dal Solar Ultraviolet Experiment (SUE), un esperimento di fotobiologia finanziato dalla commissione 5 dell’INFN.

3. DAFNE Spectral range

4. X-UV beamlines UV facility X-ray facility IR facility

5. UV facility attuale • Canale DXR-2 • esposizioni calibrate e omogenee entro il 10% • area ~ 13 mm • 1.55 – 1000 eV • Finestra d’uscita di zaffiro  38 mm Esperimento SUE

6. Caratteristiche operative • Flusso di fotoni noto e riproducibile • Flusso di fotoni tra 2 e 200 eV indipendente dall’energia (Ec =311 eV) • Impulsi ultraveloci e frequenti (0.3 ns, 1GHz) • Radiazione emessa su un ampio continuo (1-5000 eV) • Dimensioni trasversali dello spot grandi (~ mm) • Parassitaggio • Difficoltà a pianificare una strategia di acquisizione • Difficoltà di controllo (meno critico nell’UV) • Beam position shifts • Corrente di elettroni • Vita media del fascio • Riallineamento delle ottiche • Variazioni dei parametri del fascio: brillanza e dimensioni • Range di energia dei fotoni limitato al soft-X

7. Proposta • Progetto di una Test Facility che sfrutti la luce di sincrotrone disponibile a DAFNE-L per test e misure di caratterizzazione di sistemi ottici e di rivelatori nella regione VIS-UV-VUV da 2 a 40 eV (30-600 nm) estendibile a 200 eV (6 nm). • Utilizzo dal 2006 della branch line dedicata a SUE con il solo intervento di modifica e upgrade del sistema ottico esterno alla beamline • Questa regione di basse energie permette di verificare e calibrare la qualità ottica di componenti e strumenti, i rivelatori singoli e gli apparati di rivelazione che poi andranno inseriti nei vari esperimenti. Obiettivo finale è anche testare sistemi ottici di grandi dimensioni • La facility integrata tra quelle già esistenti, che coprono gli intervalli dell’infrarosso, medio e vicino, del visibile e del soft-X, di fatto diventa una struttura strategica negli interessi dell’INFN e di altre agenzie, in particolare le spaziali • Sfruttando questa complementarietà, si otterrebbe una facility unica, a larghissimo spettro e soprattutto con notevoli ritorni scientifici a costi molto contenuti.

8. Motivazioni Molti esperimenti attuali utilizzano la radiazione UV per rivelare indirettamente particelle, raggi cosmici e raggi gamma utilizzando luce di fluorescenza e Cherenkov. L’UV e il Vacuum UV sono regioni di estremo interesse anche per esperimenti spaziali dedicati all’astronomia. • Esperimenti di particelle • Esperimenti di astro-particelle • Esperimenti di astronomia • Esperimenti spaziali • Raggi Cosmici • Astronomia • Osservazione della Terra • Esperimenti di astro-biologia e biologia • Tecnologie ottiche • Tecnologie dei rivelatori • Test e calibrazione strumenti • Misure sui materiali (elettro-ottiche, spettrofotometria, microscopia, ecc.)

9. Esperimenti a terra e spaziali

10. Tecnologie

11. Esperimenti esplorativi Technical reports: • E. Burattini, A. De Sio, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Caratterizzazione di un fotoconduttore basato su singolo cristallo di diamante 1b mediante luce di sincrotrone, LNF-04/030 del 22-12-2004 • E. Burattini, A. De Sio, L. Gambicorti, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Filtro vetroso per eliminare effetti del secondo ordine in misure spettrali UV, in preparation

12. Inorm = 750 mA Caratteristiche della sorgente

13. Interdigitated electrodes Diamond layer UV photodetectors a diamante

14. Matrici di pixels

15. Geometria coplanare hν Rivelatori UV utilizzato • Singolo cristallo di diamante 1b • Dimensioni: 4 x 4 x 0.3 mm3 • Contatti elettrici planari interdigitati in oro • Area: 2.5 x 2.5 mm2 • Distanza tra i contatti: 20 µm

16. Efficienza quantica Bias = 10 V (0.5 V/µm) Inorm = 750 mA

17. Linearità ed efficienza quantica

18. Linearità L(%)=100 [1 - (PC ⋅ Fm)/(PCm ⋅ F)]

19. Stima dell’efficienza quantica PC = PCo + A  F = PCo +  q (Ad /As) F (Ad /As)  0.5 @ 210 nm A = 6.513  10-22  = 0.00813 misura diretta:  = 0.00863 D 6% @ 400 nm A = 1.084  10-22  = 0.00135 misura diretta:  = 0.00129 D 4.5% Questo confronto fornisce anche una conferma indiretta della bontà dell’ipotesi iniziale di linearità di F(Isinc) a tutte le lunghezza d’onda.

20. Spettrofotometria Trasmittance (%) Wavelength (nm)

21. Filtro passa-alto

22. Rimozione delle armoniche

23. Spectral range: 2 - 41 eV (30.2 - 620 nm) Acton ----------------------------- Mod. VM-521 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-325 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.014 nm dispersion = 0.83 nm/mm McPherson ----------------------------- Mod. 225 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-300 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.015 nm dispersion = 0.83 nm/mm Mod. 231 Seya Namioka in-out slit angle = 70.25 deg spectral range: 30-300 nm f = 1m f# = 23 spectral resolution = 0.025 nm dispersion = 0.83 nm/mm For a grating: 1200 g/mm

24. Configurazioni ottiche

25. McPherson ----------------------------- Mod. 225 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-600 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.015 nm dispersion = 0.83 nm/mm

26. McPherson ----------------------------- Mod. 231 Seya Namioka in-out slit angle = 70.25 deg spectral range: 30-300 nm f = 1m f# = 23 spectral resolution = 0.025 nm dispersion = 0.83 nm/mm

27. Acton ----------------------------- Mod. VM-521 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-625 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.014 nm dispersion = 0.83 nm/mm

28. Spectral range: up to 1 keV (down to 1.24 nm) Grazing incidence required McPherson ----------------------------- Mod. 248/310G Grazing incidence in-out slit angle = 176 to 157 deg (Variable Angle of Incidence) spectral range: 1-35 nm f= 1m f# = 44 spectral resolution = 0.018 nm dispersion = 0.05 to 0.27 nm/mm For a grating: 1200 g/mm

30. Utilizzo della facility • Test di rivelatori e materiali per ottica e rivelazione di fotoni • Misure di spettrofotometria • Misure di polarimetria UV e VUV • Calibrazione assoluta di rivelatori • Misure finalizzate ad esperimenti su meteoriti, micrometeoriti, e astrobiologia • Misure su rivelatori a diamante, SiC e silicio realizzati e/o studiati a Firenze • Misure di caratterizzazione di PMT e adattatori ottici • Realizzazione di rivelatori a matrice con ricadute tecnologiche anche negli altri intervalli spettrali • Progetti europei IRSRI, HEAPNET • Progetto ESA tecnologico ALSO • Progetti spaziali EUSO, SCORE/HERSCHEL e Solar Orbiter

31. Large beamline facility * UV facility X-ray facility IR facility Prospettive a breve termine

32. Collaborazione e man power Al progetto collaborano: • INFN – LNF • INFN – FI • DASS – Università di Firenze • Istituto Nazionale Ottica Applicata • Dip. di Informatica – Università di Verona • Il personale previsto è di 12 ricercatori e 2 tecnici oltre al personale dei LNF che lavorerà al progetto • Richiesta minima di 1 ricercatore/tecnologo full-time dedicato per 2006-07

33. Laboratori di supporto • XUVLab -DASS • INOA • INFN

34. Progettazione ottica

35. Progettazione meccanica Bulk head

36. Tempi previsti Schedule di massima: • 2005: completamento delle misure preliminari e studio del sistema ottico • 2006: costruzione dell’apparato e test di qualifica e eventuali primi esperimenti • 2007: beamline operativa per misure di test e qualifica e per misure spettro-fotometriche nel VIS-UV-VUV

37. Costi previsti La previsione di spesa copre la realizzazione della facility e i test di qualifica. I dettagli di costo comprendono: • Progettazione ottica, elettronica e meccanica • Upgrade del setup esistente • Monocromatore UV-VIS e camera di misura in HV • Test e verifica strumenti ottici • Strumenti, ottiche e materiali accessori • Interfaccia elettronica di controllo del sistema, di acquisizione e memorizzazione dei dati • Installazione, allineamento e commissioning a DAFNE • Strumenti di supporto ai test di qualifica • Contingency • Gestione e funzionamento

38. Conclusioni • Un ampio gruppo di Istituti con capofila due sezioni INFN propongono un progetto di riqualificazione della branch line UV perché interessati all’uso della radiazione di sincrotrone per attività di test e calibrazione di sistemi ottici e rivelatori nonché per attività scientifica di analisi di materiali organici e inorganici • Le caratteristiche di DAFNE-L, pur essendo legate ad una macchina non dedicata alla luce di sincrotrone, ne permettono lo sfruttamento per le misure d’interesse, in particolare nella regione UV-VUV (cutoff energy 311 eV) • Misure preliminari di valutazione delle potenzialità della branch line come stazione di test e calibrazione hanno dimostrato con risultati soddisfacenti che l’attività proposta è fattibile • Il parassitaggio si è dimostrato paradossalmente un vantaggio per questo tipo di misure a causa dell’equivalenza tra tempo di setup (fuori run) e tempo di misura (durante il run) che nelle facility tradizionali è un problema. • Il programma per la realizzazione del progetto termina nel 2006 e offre un rapporto potenzialità/costi molto elevato, grazie all’expertise disponibile e al costo contenuto, e pensando alle immediate ricadute di una facility considerata nel suo insieme: dal medio IR al soft-X • Il gruppo proponente offre personale, know-how e strutture a sostegno di tale collaborazione non solo in fase di realizzazione della facility, ma anche per la fase operativa seguente