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Marco Catitti INDICE ARGOMENTI I RAGGI X SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI X DEAR DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SIDDHARTA SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO.

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Presentazione sul tema: "Marco Catitti INDICE ARGOMENTI I RAGGI X SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI X DEAR DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SIDDHARTA SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO."— Transcript della presentazione:

1 Marco Catitti INDICE ARGOMENTI I RAGGI X SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI X DEAR DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SIDDHARTA SIDDHARTA : 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 1 /44

2 I RAGGI X Marco Catitti λ =c/ν λ λ -Lunghezza donda (m) ν- Frequenza (Hz) c – velocità della luca (m/s) E – energia (eV) h – costante di planck E(eV) =1.24 / λ(µm) 100eV

3 Marco Catitti I RAGGI X A seguito dellinterazione 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 eV Interazione con elettroni più interni producono le righe caratteristiche del bersaglio (anodo) Diffusione anelastica in prossimità dei nuclei dellanodo. Produzione dello spettro continuo (Bremsstrahlung) 3 /44

4 Marco Catitti 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 4 /44

5 PRODUZIONE DI RAGGI X Marco Catitti 5 /44

6 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. 6 /44

7 INTERAZIONE DEI RAGGI X CON LA MATERIA Marco Catitti Per capire come vengono riveleti I raggi X osseriamo linterazione con la materia Ci sono tre tipi di interazione Effetto fotoelettrico Effetto compton Produzione di coppie 7 /44

8 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 lanalisi 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 darte 8 /44

9 Marco Catitti La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X LA FLUORESCENZA 9 /44

10 Marco Catitti Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X) RIVELATORE Spettrometro portatile per lanalisi della fluorescenza dei raggi X LA FLUORESCENZA 10 /44

11 Marco Catitti 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 11 /44

12 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 lenergia 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 allenergia dei fotoni incidenti. T = 0 KT > 0 K 12 /44

13 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 Marco Catitti 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 13 /44

14 Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P Allequilibrio si forma una regione di carica spaziale Marco Catitti INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO 14 /44

15 Marco Catitti 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 dallanodo per formare il segnale in tensione INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO 15 /44

16 DEAR Marco Catitti Da ne Exotic Atoms Research 16 /44

17 Marco Catitti DEAR e-e- e-e- e+e+ e+e+ DA NE 17 /44

18 Marco Catitti KAONE Latomo esotico ha al posto dellelettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Idrogeno Kaonico DEAR 18 /44

19 Marco Catitti 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 spostata di alcune centinaia di eV da 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X in presenza della Sola forza elettromagnatica _ DEAR 19 /44

20 Marco Catitti 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 20 /44

21 Marco Catitti 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 21 /44

22 Marco Catitti 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 DEAR 22 /44

23 Marco Catitti 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 23 /44

24 Marco Catitti 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 24 /44

25 Marco Catitti 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 25 /44

26 Marco Catitti DEAR Lettura di una CCD 26 /44

27 Marco Catitti 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 27 /44

28 Marco Catitti 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 28 /44

29 Marco Catitti DEAR 29 /44

30 Da DEAR a SIDDHARTA Marco Catitti Obiettivi: 1 – misura dellidrogeno Kaonico con precisione eV 2 – prima misura del deuterio Kaonico 30 /44

31 DA DEAR A SIDDHARTA Marco Catitti width 1s [eV] KpX shift 1s [eV] Davies et al, 1979 Izycki et al, 1980 Bird et al, 1983 KpX (KEK) M. Iwasaki et al, 1997 = ± 63 ± 11 eV = 407 ± 208 ± 100 eV DEAR SIDDHARTA 31 /44

32 Marco Catitti Scelta del rivelatore SDD per studi sullatomo esotico A (cm -2 ) FWHM (eV) SDD PIN Si(Li) 150 K 5.9 keV line PIN Tsh=20us Si(Li) Tsh=20us SDD Tsh=1us FWHM meas at monoenergetic line 5.9 keV, 1cm 2 detector at 150 K SDD FWHM=140eV shap =1 s Si(Li) FWHM=180eV shap =15 s PIN diode FWHM=750eV shap =20 s CCD FWHM=140eV frame =1s DA DEAR A SIDDHARTA 32 /44

33 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 Marco Catitti DA DEAR A SIDDHARTA 33 /44

34 Marco Catitti 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 DA DEAR A SIDDHARTA 34 /44

35 Marco Catitti Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore n n+ p+ -Vcc ANODE Entrance window La capacità ellanodo è proporzionale allarea attiva del rivelatore DA DEAR A SIDDHARTA 35 /44

36 Marco Catitti I rivelatori a deriva Anode Entrance window ANODO La capacità dellanodo è indipendente dallarea attiva. DA DEAR A SIDDHARTA 36 /44

37 Marco Catitti SIDDHARTA utilizza un rivelatore a grande costuittuito da SDD con un area attiva totale di area 192 cm2 DA DEAR A SIDDHARTA 37 /44

38 Marco Catitti Beam pipe Cryogenic target cellKaon trigger e+e+ e-e- SDDs array DA DEAR A SIDDHARTA 38 /44

39 Marco Catitti 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. Larea totale attiva sarà di 192 cm2 DA DEAR A SIDDHARTA 39 /44

40 Marco Catitti TRIGGER Kaon trigger Coincidence windows Detected pulses Considered pulses Kaon triggerX-ray pulse Background pulse dr max Background reductions S/B = 5/1 40 /44

41 Marco Catitti TEST SU SDD IN BTF 41 /44

42 Marco Catitti Schema setup in BTF Cu TEST SU SDD IN BTF 42 /44

43 Marco Catitti setup in BTF TEST SU SDD IN BTF 43 /44

44 Marco Catitti Spettri ottenuti in BTF dove risulta ridotto il fondo grazie al sistema di trigger TEST SU SDD IN BTF 44 /44


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