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INDICE ARGOMENTI. I RAGGI “X”. SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”. PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA. ANALISI SPETTROSCOPICA DEL PATRIMONIO CULTURALE. INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO. DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO. SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO. IL TRIGGER.

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Marco catitti

INDICE ARGOMENTI

I RAGGI “X”

SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”

PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA

ANALISI SPETTROSCOPICA DEL PATRIMONIO CULTURALE

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

SIDDHARTA: SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

IL TRIGGER

SETUP DI MISURA E TEST IN BTF

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Marco Catitti


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I RAGGI “X”

λ

λ =c/ν

Raggi “x”

10nm <λ< 0.001nm

100eV<E<1000Kev

E(eV) =1.24 / λ(µm)

λ -Lunghezza d’onda (m)

ν-Frequenza (Hz)

c – velocità della luca (m/s)

E – energia (eV)

h – costante di planck

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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”

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

E =h*ν

La radiazione emessa è composta da due tipi spvrapposti di spettro

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PRODUZIONE DI RAGGI “X”

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PRODUZIONE DI RAGGI “X”

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

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”

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

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

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LA FLUORESCENZA

RIVELATORE

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

Spettrometro portatile per l’analisi della fluorescenza dei raggi X

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LA FLUORESCENZA

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.

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I RIVELATORI DI PARTICELLE

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

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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INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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Concentrazione atomi droganti ≈ 10 - 10 cm

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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

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

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

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INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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

All’equilibrio si forma una regione di carica spaziale

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INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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Qe = Carica elettrone 1.6*10 C

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

V = tensione elettrica

Ne = Numero di elettroni

Co = Capacità di storage

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

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  • Dafne Exotic Atoms Research

DEAR

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DEAR

DAFNE

K-

e+

e-

f

K+

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DEAR

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

Idrogeno

Idrogeno Kaonico

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DEAR

_

Il 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 2P1S di K spostata di alcune centinaia di eV da 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X in presenza della

Sola forza elettromagnatica

_

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

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DEAR

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

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DEAR

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/rumore per ottenere una buona RISOLUZIONE (100-200 eV)

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DEAR

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 2p1s , 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 sincrono col segnale e quello asincrono

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 rivelatoree 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 pixelil rapporto segnale fondo vale risulta S/B  20 : 1possiamo 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

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DEAR

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

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DEAR

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

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DEAR

Raggi X

Altro

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

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DEAR

Lettura di una CCD

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DEAR

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.

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DEAR

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

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

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DEAR

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Da dear a siddharta
Da DEAR a SIDDHARTA

Obiettivi:

1 – misura dell’idrogeno Kaonico con precisione eV

2 – prima misura del deuterio Kaonico

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DA DEAR A SIDDHARTA

KpX (KEK)

M. Iwasaki et al, 1997

1000

KpX

800

widthG1s[eV]

DEAR

  • = - 323 ± 63 ± 11 eV

    G = 407 ± 208 ± 100 eV

600

Izycki et al, 1980

SIDDHARTA

400

200

Bird et al, 1983

Davies et al, 1979

0

-500

0

500

shifte1s[eV]

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DA DEAR A SIDDHARTA

SDD PIN Si(Li) 150 K 5.9 keV line

800

700

PIN Tsh=20us

600

500

FWHM (eV)

400

300

Si(Li) Tsh=20us

200

SDD Tsh=1us

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

A (cm-2)

Scelta del rivelatore SDD per studi sull’atomo esotico

FWHMmeasat monoenergetic line 5.9 keV, 1cm2detector at 150 K

SDD

FWHM=140eVtshap =1ms

Si(Li)

FWHM=180eVtshap =15ms

PIN diode

FWHM=750eVtshap =20ms

CCD

FWHM=140eVtframe=1s

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DA DEAR A SIDDHARTA

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

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DA DEAR A SIDDHARTA

  • Caratteristiche 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

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DA DEAR A SIDDHARTA

Entrance window

-

V

c

c

p

+

n

n

+

ANODE

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

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

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DA DEAR A SIDDHARTA

I rivelatori a deriva

Entrance window

Anode

ANODO

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

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DA DEAR A SIDDHARTA

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

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DA DEAR A SIDDHARTA

Beam pipe

SDDs array

e-

e+

Kaon trigger

Cryogenic target cell

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DA DEAR A SIDDHARTA

Il rivelatore di SIDDHARTA è composto da:

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

Modulo con 6 SDD (6*1cm2)

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TRIGGER

Kaon trigger

X-ray pulse

Background pulse

Kaontrigger

Coincidencewindows

tdr max

Detectedpulses

Consideredpulses

S/B = 5/1

Background reductions

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TEST SU SDD IN BTF

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TEST SU SDD IN BTF

Cu

Schema setup in BTF

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TEST SU SDD IN BTF

setup in BTF

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TEST SU SDD IN BTF

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

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