SUVRAD: Synchrotron UltraViolet Radiation facility At DAFNE Emanuele Pace Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Università di Firenze INFN, Sezione di Firenze

Beamlines @ DAFNE La Synchrotron Radiation facility ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN utilizza l’intensa emissione di fotoni di DAFNE, l’anello di accumulazione da 0.51 GeV nel quale circola una corrente di elettroni superiore ad 1 A. 3 beamlines sono operative: La Synchrotron INfrared Beamline At DAFNE (SINBAD) che copre l’intera regione dell’IR; La beamline nel soft X-ray che opera con un monocromatore a doppio cristallo e ad uscita fissa e lavora nel range 2 – 4 keV di energie che può essere esteso fino a 5 keV. Una stazione UV alla wiggler branch line utilizzata attualmente dal Solar Ultraviolet Experiment (SUE), un esperimento di fotobiologia finanziato dalla commissione 5 dell’INFN.

DAFNE Spectral range

X-UV beamlines UV facility X-ray facility IR facility

UV facility attuale Canale DXR-2 esposizioni calibrate e omogenee entro il 10% area ~  13 mm 1.55 – 1000 eV Finestra d’uscita di zaffiro  38 mm Esperimento SUE

Caratteristiche operative Flusso di fotoni noto e riproducibile Flusso di fotoni tra 2 e 200 eV indipendente dall’energia (Ec =311 eV) Impulsi ultraveloci e frequenti (0.3 ns, 1GHz) Radiazione emessa su un ampio continuo (1-5000 eV) Dimensioni trasversali dello spot grandi (~ mm) Parassitaggio Difficoltà a pianificare una strategia di acquisizione Difficoltà di controllo (meno critico nell’UV) Beam position shifts Corrente di elettroni Vita media del fascio Riallineamento delle ottiche Variazioni dei parametri del fascio: brillanza e dimensioni Range di energia dei fotoni limitato al soft-X

Proposta Progetto di una Test Facility che sfrutti la luce di sincrotrone disponibile a DAFNE-L per test e misure di caratterizzazione di sistemi ottici e di rivelatori nella regione VIS-UV-VUV da 2 a 40 eV (30-600 nm) estendibile a 200 eV (6 nm). Utilizzo dal 2006 della branch line dedicata a SUE con il solo intervento di modifica e upgrade del sistema ottico esterno alla beamline Questa regione di basse energie permette di verificare e calibrare la qualità ottica di componenti e strumenti, i rivelatori singoli e gli apparati di rivelazione che poi andranno inseriti nei vari esperimenti. Obiettivo finale è anche testare sistemi ottici di grandi dimensioni La facility integrata tra quelle già esistenti, che coprono gli intervalli dell’infrarosso, medio e vicino, del visibile e del soft-X, di fatto diventa una struttura strategica negli interessi dell’INFN e di altre agenzie, in particolare le spaziali Sfruttando questa complementarietà, si otterrebbe una facility unica, a larghissimo spettro e soprattutto con notevoli ritorni scientifici a costi molto contenuti.

Motivazioni Molti esperimenti attuali utilizzano la radiazione UV per rivelare indirettamente particelle, raggi cosmici e raggi gamma utilizzando luce di fluorescenza e Cherenkov. L’UV e il Vacuum UV sono regioni di estremo interesse anche per esperimenti spaziali dedicati all’astronomia. Esperimenti di particelle Esperimenti di astro-particelle Esperimenti di astronomia Esperimenti spaziali Raggi Cosmici Astronomia Osservazione della Terra Esperimenti di astro-biologia e biologia Tecnologie ottiche Tecnologie dei rivelatori Test e calibrazione strumenti Misure sui materiali (elettro-ottiche, spettrofotometria, microscopia, ecc.)

Esperimenti a terra e spaziali

Tecnologie

Esperimenti esplorativi Technical reports: E. Burattini, A. De Sio, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Caratterizzazione di un fotoconduttore basato su singolo cristallo di diamante 1b mediante luce di sincrotrone, LNF-04/030 del 22-12-2004 E. Burattini, A. De Sio, L. Gambicorti, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Filtro vetroso per eliminare effetti del secondo ordine in misure spettrali UV, in preparation

Caratteristiche della sorgente Inorm = 750 mA

UV photodetectors a diamante Diamond layer Interdigitated electrodes

Matrici di pixels

Rivelatori UV utilizzato Singolo cristallo di diamante 1b Dimensioni: 4 x 4 x 0.3 mm3 Contatti elettrici planari interdigitati in oro Area: 2.5 x 2.5 mm2 Distanza tra i contatti: 20 µm hν Geometria coplanare

Efficienza quantica Bias = 10 V (0.5 V/µm) Inorm = 750 mA

Linearità ed efficienza quantica

Linearità L(%)=100 [1 - (PC ⋅ Fm)/(PCm ⋅ F)]

Stima dell’efficienza quantica PC = PCo + A  F = PCo +  q (Ad /As) F (Ad /As)  0.5 @ 210 nm A = 6.513  10-22  = 0.00813 misura diretta:  = 0.00863 D  6% @ 400 nm A = 1.084  10-22  = 0.00135 misura diretta:  = 0.00129 D  4.5% Questo confronto fornisce anche una conferma indiretta della bontà dell’ipotesi iniziale di linearità di F(Isinc) a tutte le lunghezza d’onda.

Spettrofotometria Trasmittance (%) Wavelength (nm)

Filtro passa-alto

Rimozione delle armoniche

Spectral range: 2 - 41 eV (30.2 - 620 nm) Acton ----------------------------- Mod. VM-521 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-325 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.014 nm dispersion = 0.83 nm/mm McPherson ----------------------------- Mod. 225 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-300 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.015 nm dispersion = 0.83 nm/mm Mod. 231 Seya Namioka in-out slit angle = 70.25 deg f# = 23 spectral resolution = 0.025 nm For a grating: 1200 g/mm

Configurazioni ottiche

McPherson ----------------------------- Mod. 225 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-600 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.015 nm dispersion = 0.83 nm/mm

McPherson ----------------------------- Mod. 231 Seya Namioka in-out slit angle = 70.25 deg spectral range: 30-300 nm f = 1m f# = 23 spectral resolution = 0.025 nm dispersion = 0.83 nm/mm

Acton ----------------------------- Mod. VM-521 Normal incidence in-out slit angle = 15 deg spectral range: 30-625 nm f = 1m f# = 10.4 spectral resolution = 0.014 nm dispersion = 0.83 nm/mm

Spectral range: up to 1 keV (down to 1.24 nm) Grazing incidence required McPherson ----------------------------- Mod. 248/310G Grazing incidence in-out slit angle = 176 to 157 deg (Variable Angle of Incidence) spectral range: 1-35 nm f= 1m f# = 44 spectral resolution = 0.018 nm dispersion = 0.05 to 0.27 nm/mm For a grating: 1200 g/mm

Utilizzo della facility Test di rivelatori e materiali per ottica e rivelazione di fotoni Misure di spettrofotometria Misure di polarimetria UV e VUV Calibrazione assoluta di rivelatori Misure finalizzate ad esperimenti su meteoriti, micrometeoriti, e astrobiologia Misure su rivelatori a diamante, SiC e silicio realizzati e/o studiati a Firenze Misure di caratterizzazione di PMT e adattatori ottici Realizzazione di rivelatori a matrice con ricadute tecnologiche anche negli altri intervalli spettrali Progetti europei IRSRI, HEAPNET Progetto ESA tecnologico ALSO Progetti spaziali EUSO, SCORE/HERSCHEL e Solar Orbiter

Prospettive a breve termine Large beamline facility * Prospettive a breve termine UV facility X-ray facility IR facility Citare GRilli et al per la realizzazione delle camere bianche

Collaborazione e man power Al progetto collaborano: INFN – LNF INFN – FI DASS – Università di Firenze Istituto Nazionale Ottica Applicata Dip. di Informatica – Università di Verona Il personale previsto è di 12 ricercatori e 2 tecnici oltre al personale dei LNF che lavorerà al progetto Richiesta minima di 1 ricercatore/tecnologo full-time dedicato per 2006-07

Laboratori di supporto XUVLab -DASS INOA INFN

Progettazione ottica

Progettazione meccanica Bulk head

Tempi previsti Schedule di massima: 2005: completamento delle misure preliminari e studio del sistema ottico 2006: costruzione dell’apparato e test di qualifica e eventuali primi esperimenti 2007: beamline operativa per misure di test e qualifica e per misure spettro-fotometriche nel VIS-UV-VUV

Costi previsti La previsione di spesa copre la realizzazione della facility e i test di qualifica. I dettagli di costo comprendono: Progettazione ottica, elettronica e meccanica Upgrade del setup esistente Monocromatore UV-VIS e camera di misura in HV Test e verifica strumenti ottici Strumenti, ottiche e materiali accessori Interfaccia elettronica di controllo del sistema, di acquisizione e memorizzazione dei dati Installazione, allineamento e commissioning a DAFNE Strumenti di supporto ai test di qualifica Contingency Gestione e funzionamento

Conclusioni Un ampio gruppo di Istituti con capofila due sezioni INFN propongono un progetto di riqualificazione della branch line UV perché interessati all’uso della radiazione di sincrotrone per attività di test e calibrazione di sistemi ottici e rivelatori nonché per attività scientifica di analisi di materiali organici e inorganici Le caratteristiche di DAFNE-L, pur essendo legate ad una macchina non dedicata alla luce di sincrotrone, ne permettono lo sfruttamento per le misure d’interesse, in particolare nella regione UV-VUV (cutoff energy 311 eV) Misure preliminari di valutazione delle potenzialità della branch line come stazione di test e calibrazione hanno dimostrato con risultati soddisfacenti che l’attività proposta è fattibile Il parassitaggio si è dimostrato paradossalmente un vantaggio per questo tipo di misure a causa dell’equivalenza tra tempo di setup (fuori run) e tempo di misura (durante il run) che nelle facility tradizionali è un problema. Il programma per la realizzazione del progetto termina nel 2006 e offre un rapporto potenzialità/costi molto elevato, grazie all’expertise disponibile e al costo contenuto, e pensando alle immediate ricadute di una facility considerata nel suo insieme: dal medio IR al soft-X Il gruppo proponente offre personale, know-how e strutture a sostegno di tale collaborazione non solo in fase di realizzazione della facility, ma anche per la fase operativa seguente