Silicon Drift Detector per la rivelazione di raggi X Stage invernale 2006 Stagisti: Corinne Cinelli Chiara Gargiulo Giorgia Leoncini Edoardo Mazzucchi M Cristina Raspone Stefania Romani Tutors: Marco Catitti Florin Sirghi Diana Sirghi Massimiliano Bazzi 22/02/06-11/05/06

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

λ =c/ν Raggi X λ 100eV<E<1000Kev 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 d’onda vengono individuate in una banda dello spettro elettromagnetico. λ λ =c/ν 100eV<E<1000Kev λ -Lunghezza d’onda (m) ν- Frequenza (Hz) c – velocità della luce (m/s)

Produzione di raggi X 99,9% calore 0,1% 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) 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. 99,9% calore 0,1%

Applicazioni di raggi X Autenticita’ e ricerca di metodi di restauro delle opere d’arte Tecniche diagnostiche e terapeutiche Industria metallurgica

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 l’energia 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 all’energia dei raggi X incidenti T = 0 K T > 0 K

DROGAGGIO 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 Fosforo e chiamato di TIPO N (negative) Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positive)

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

L’esperimento DEAR (Dafne Exotic Atoms Research) Rivelatore al silicio

L’esperimento DEAR (Dafne Exotic Atoms Research) Idrogeno Kaonico Dear e’ un esperimento che studia l’atomo esotico in DAFNE L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Kaonico Idrogeno

L’Atomo esotico 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 pari a 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X Nasce la necessità di usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X

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

TRIGGER Il “rumore di fondo” puo’essere di due tipi: - SINCRONO, legato all’evento stesso; - ASINCRONO, legato a sorgenti esterne. Il TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo.

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

ANALISI DATI RIVELATORE ANALISI DATI Con l’analisi dati si studiano le informazioni acquisite tramite il rivelatore. Questo studio consiste nell’osservazione dello spettro energetico Rappresenta graficamente la distribuzione del numero di particelle che formano la radiazione in funzione della loro energia

LA NOSTRA ESPERIENZA DI ANALISI DATI Il rivelatore fornisce il numero di eventi in relazione ai canali, per determinare il valore energetico del canale dobbiamo effettuare una calibrazione. 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.

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

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 tensione elettrica (Volt) I corrente elettrica (Ampere) R resistenza elettrica (Ohm) V= R x I Resistenze in serie Resistenze in parallelo

Metodo voltamperometrico Y = A*X+B (B = 0) ; V = R*I   X  V Y  I I = (1/R) *V R = 1/A 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.

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

Conclusioni L’esperienza di questo stage si e’rivelata 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 l’infinito mondo della fisica riuscendo a trasmetterci l’entusiasmo e la passione per questa materia .