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Silicon Drift Detector per la rivelazione di raggi X Stagisti: Corinne Cinelli Chiara Gargiulo Giorgia Leoncini Edoardo Mazzucchi M Cristina Raspone Stefania.

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2 Silicon Drift Detector per la rivelazione di raggi X Stagisti: Corinne Cinelli Chiara Gargiulo Giorgia Leoncini Edoardo Mazzucchi M Cristina Raspone Stefania Romani Tutors: Marco Catitti Florin Sirghi Diana Sirghi Massimiliano Bazzi Stage invernale /02/06-11/05/06

3 Indice Argomenti Raggi X Rivelatori al Silicio (silicon drift detector) Esperimento DEAR e SIDDHARTA Analisi Dati Esperienze di Laboratorio : La legge di OHM Metodo volt-amperometrico Misura del guadagno di un amplificatore

4 Raggi X I raggi X sono onde elettromagnetiche, entita che si manifestano attraverso una serie di impulsi che costituiscono un segnale sinusoidale che a seconda della lunghezza donda vengono individuate in una banda dello spettro elettromagnetico. λ λ =c/ν λ -Lunghezza donda (m) ν- Frequenza (Hz) c – velocità della luce (m/s) 100eV

5 Produzione di raggi X Gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x. 0,1% 99,9% calore 1-Raggi x prodotti dalla forte decelerazione degli elettroni nelle collisioni con I nuclei atomici (chiamata Bremsstrahlung) 2- Raggi x prodotti dalle transizioni degli elettroni nelle orbite piu profonde degli atomi ( raggi x caratteristici del materiale)

6 Applicazioni di raggi X Autenticita e ricerca di metodi di restauro delle opere darte Tecniche diagnostiche e terapeutiche Industria metallurgica

7 Rivelatori al silicio 1 -I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici utilizzati per poter misurare I deboli segnali prodotti da particelle sub-atomiche. 2- I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare lenergia e lo spettro dei raggi x, in particolare i rivelatori al silicio sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale proporzionale allenergia dei raggi X incidenti T = 0 KT > 0 K

8 DROGAGGIO Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive (pochi elettroni-lacune che si formano). Per aumentare la conduzione Si utilizza il silicioDROGATO 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)

9 Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P Allequilibrio si forma una regione di carica spaziale 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 Giunzione P-N V=Ne*Qe/Co

10 (Da ne Exotic Atoms Research) Lesperimento DEAR Rivelatore al silicio

11 Dear e un esperimento che studia latomo esotico in DAFNE KAONE Latomo esotico ha al posto dellelettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Idrogeno Kaonico (Da ne Exotic Atoms Research) Lesperimento DEAR

12 LAtomo esotico 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 _

13 DEAR: principio di funzionamento 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 informazioni sotto forma di carica elettrica, ma hanno tempi di lettura relativamente elevati, sono quindi sensibili al rumore

14 TRIGGER TRIGGER Il TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo. Il rumore di fondo puoessere di due tipi: - SINCRONO, legato allevento stesso; - ASINCRONO, legato a sorgenti esterne.

15 Da DEAR al nuovo esperimento SIDDHARTA TRIGGER Per poter attenuare e eliminare linconveniente del rumore di fondo servono dei rivelatori con caratteristiche simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGER Per questo motivo nasce lesperimento SIDDHARTA che utilizza SDD (Silicon Drift Detector) che sono rivelatori ad alta velocità (Silicon drift detector for Hadronic by timing application) CCDSDD

16 ANALISI DATI RIVELATO RE ANALISI DATI Con lanalisi dati si studiano le informazioni acquisite tramite il rivelatore. Questo studio consiste nellosservazione dello spettro energetico Rappresenta graficamente la distribuzione del numero di particelle che formano la radiazione in funzione della loro energia

17 LA NOSTRA ESPERIENZA DI ANALISI DATI Utilizzando il programma Origin 5.0 professional abbiamo effettuato un fitting dei dati a disposizione ottenendo una distribuzione di Gauss che caratterizza la forma di un picco. Il rivelatore fornisce il numero di eventi in relazione ai canali, per determinare il valore energetico del canale dobbiamo effettuare una calibrazione.

18 La forma del picco puo essere caratterizzata da una distribuzione di Gauss. = larghezza a meta altezza (full- width at half maximum:FWHM) = valore medio (la posizione del picco) = deviazione standard = la RISOLUZIONE del rivelatore La distribuzione di GAUSS

19 ESPERIENZE DI LABORATORIO Resistenze: componenti elettronici la cui funzione e limitare la corrente elettrica per polarizzare altri dispositivi elettronici collegati in serie. Il comportamento dei resistori segue la legge di Ohm V= R x I V tensione elettrica (Volt) I corrente elettrica (Ampere) R resistenza elettrica (Ohm) Resistenze in serie Resistenze in parallelo

20 Metodo voltamperometrico Una volta ottenuti i dati necessari utilizziamo il software ORIGIN 5.0 per il linear-fit che permette attraverso la conoscenza di valori di V e I di calcolare il parametro A che sarà il valore della nostra resistenza per la legge di ohm. Y = A*X+B (B = 0) ; V = R*I X V Y I I = (1/R) *V R = 1/A

21 Misura del guadagno di un amplificatore R1 = 1.2 K R2 = 1.2 K A = 1 + (1.2/1.2) A = 2 Vu = 2* Vi

22 Conclusioni Lesperienza di questo stage si erivelata molto interessante perche ci ha permesso di ampliare le nostre conoscenze al di la del programma scolastico e di entrare a contatto con il mondo del lavoro dei ricercatori di fisica sub-nucleare. Tutto cio ha contribuito a farci apprendere meglio concetti a volte complicati, che in questo modo sono rimasti impressi piu facilmente nella nostra mente grazie soprattutto al supporto dei tutors. Volevamo quindi ringraziarli poiche ci hanno seguito durante questi incontri con pazienza e ci hanno proiettato verso linfinito mondo della fisica riuscendo a trasmetterci lentusiasmo e la passione per questa materia.


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