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M. Catitti, M. Iliescu,C. Petrascu, F. Sirghi, D. Sirghi, INDICE ARGOMENTI INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO I RIVELATORI AL SILICIO DEAR DEAR : CCD.

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1 M. Catitti, M. Iliescu,C. Petrascu, F. Sirghi, D. Sirghi, INDICE ARGOMENTI INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO I RIVELATORI AL SILICIO DEAR DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SIDDHARTA SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA SPETTROSCOPIA : ANALISI DEL PATRIMONIO CULTURALE IL TRIGGER SETUP DI MISURA E TEST IN BTF

2 Dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in conduttori, isolanti e semiconduttori e sono caratterizzati dal parametro chiamato : resistenza elettrica (Ω) che lega la tensione applicata e la corrente che scorre allinterno del materiale attraverso la legge di OHM V = R*I legge di ohm INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO R molto piccolo CONDUTTORE ~ 10 Ω*cm R molto elevato ISOLANTE ~ 10 Ω*cm -2 5

3 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Nella rappresentazione classica di microsistema planetario di un atomo costituito da un nucleo centrale positivo (protoni + neutroni) e da cariche negative, elettroni che ruotano attorno ad esso. Per un principio fondamentale della fisica gli elettroni legati ad un nucleo possono assumere solo determinati valori di energia nellambito di un insieme discontinuo di livelli, che anche se molto vicini sono comunque nettamente separati luno dallaltro. Questo modello è soddisfacente per descrivere un atomo isolato, ma i termini del problema mutano completamente allinterno di un cristallo formato da numerosi atomi, qui gli elettroni sono liberi di muoversi senza uscire da esso, questo movimento di cariche rappresenta la corrente elettrica. Per un cristallo quindi non si parlerà di livelli di energia ma di bande di energia ottenendo due possibili configurazioni: bande permesse separate da bande proibite oppure bande parzialmente sovrapposte.

4 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Nel primo caso, nei conduttori, anche lazione di un debole campo elettrico può spostare elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione per avere corrente elettrica. Nel secondo, negli isolanti, gli elettroni non andranno mai nella banda di conduzione, un alevato campo elettrico provocherebbe solamente una perforazione del materiale Nel caso intermedio, nei semiconduttori, le bande permesse sono separate da un intervallo proibito di energia di pochi eV ( es 1.12 eV del silicio). I semiconduttori puri possono condurre elettricità ad elevata temperatura e grandi campi elettrici. Introducendo ad arte nel cristallo di un semiconduttore intrinseco puro degli atomi diversidrogaggioche interrompono la sua regolarità periodica introduciamo nuovi livelli energetici dentro lintervallo proibito aumentando cosi la conducibilità.

5 La maggior parte dei dispositivi elettronici, compresi I rivelatori utilizzati nel nostro esperimento si basano su semiconduttori al SILICIO INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Il SILICIO è un elemento chimico cristallino del IV gruppo della tavola periodica degli elementi.

6 T = 0 KT > 0 K 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 in cui alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III e V gruppo

7 Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (negative) Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positive) 1215 Concentrazione atomi droganti cm -3 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

8 Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P Allequilibrio si forma una regione di carica spaziale INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

9 La tensione di solglia in diretta è dovuta alla barriera di giuzione che vale 06 – 07 V

10 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 RIVELATORI AL SILICIO 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 dallanodo per formare il segnale in tensione

11 Uno degli utilizzi del rivelatore al silicio è lidentificazione degli elementi chimici presenti in un campione ( es: opere darte, analisi della composizione del terreno) permettendo unanalisi non distruttiva non invasiva conoscendo il valore dellenergia che colpisce il rivelatore che è tipica dellelemento (es: Fe 6.3 Kev). Lanalisi degli elementi tramite rivelatore al silicio si effettua grazie al principio della fluorescenza La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X LA FLUORESCENZA

12 Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X) RIVELATORE Spettrometro portatile per lanalisi della fluorescenza dei raggi X LA FLUORESCENZA

13 Nello spettro di fluorescenza dellaffresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe, ocra gialla) e di oro (Au). Questo tipo di analisi permette di verificare sia lautenticità dellopera che la presenza di eventuali restauri. LA FLUORESCENZA

14 DEAR Da ne Exotic Atoms Research

15 KAONE Latomo esotico ha al posto dellelettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Idrogeno Kaonico DEAR

16 Per studiare tali transizioni nasce la necessità di usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X K Il K dellatomo esotico si trova nello stato eccitato in unorbita esterna, non è stabile _ K Dopo un certo tempo avviene la diseccitazione dellatomo ci interessa la transizione 2P 1S di K pari a 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X _ DEAR

17 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

18 segnale/rumore La presenza di altre particelle provoca RUMORE diminuendo capacità di identificazione delle transizioni specifiche dellatomo Kaonico, dobbiamo quindi riuscire ad ottenere un buon rapporto segnale/rumore per ottenere una buona RISOLUZIONE ( eV) DEAR

19 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO sincronoasincrono 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 dellidrogeno 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 SINCRONOFONDO ASINCRONO Il fondo sincrono è, per definizione, associato alla produzione dellevento, in questo caso la formazione e il decadimento dellatomo esotico:quando non è catturato in unorbita atomica a formare latomo 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 dellatomo esotico. È causato dalle particelle circolanti nellanello e perse dai fasci, essenzialmente per quattro cause: leffetto Toushek, cioè lo scattering elastico particella- particella entro lo stesso bunch con variazione di momento delle due particelle (una acquista e laltra perde); lapertura dinamica della macchina (la componente intrinseca, indipendente delleffetto Toushek); linterazione 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

20 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

21 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 allinterno dell CCD e dovuta al passaggio dei raggi X che crea coppie elettrone-lacuna DEAR

22 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 XAltro DEAR

23 Lettura di una CCD

24 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

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

26

27

28 Da DEAR a SIDDHARTA

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

30 Caratteristiche SDD Caratteristiche SDD: Substrato N-Type 300 µm alta resistività 3KΩ*cm n – JFET integrato Piccola capacità dellanodo ( circa 100 fF) indipendente dallarea attiva efficenza 90 10Kev < 15 Kev risoluzione 200 6KeV ( -10 °C) drift time 600ns count/s

31 Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore n n+ p+ -Vcc ANODE Entrance window Da DEAR a SIDDHARTA La capacità ellanodo è proporzionale allarea attiva del rivelatore

32 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO I rivelatori a deriva Anode Entrance window ANODO La capacità dellanodo è indipendente dallarea attiva.

33 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Acquisizione con trigger Kaon trigger Coincidence windows Detected pulses Considered pulses Kaon triggerX-ray pulse Background pulse dr max Background reductions S/B = 5/1

34 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Beam pipe Cryogenic target cellKaon trigger e+e+ e-e- SDDs array

35 Da DEAR a SIDDHARTA Catena di acquisizione

36 Da DEAR a SIDDHARTA Schema setup in BTF Cu

37 Da DEAR a SIDDHARTA setup in BTF

38 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO Spettri ottenuti in BTF


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