Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Buongiorno a tutti !!! Scopo di questa presentazione e mostrarvi alcuni dei recenti risultati ottenuti dal nostro gruppo di ricerca XUVlab sui rivelatori a stato solido basati su diamante sintetico per applicazioni su raggi X. Michele Di Fraia XUVLab Dipartimento di Fisica e Astronomia Università degli Studi di Firenze

Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Requirements Duration Visible blindness Low thermal noise Radiation hardness Low supply voltage Costs La quasi totalità dei dispositivi utilizzati attualmente sono basati sull’uso del silicio, e mostrano evidenti limiti nel rispondere a tali requisiti. Allora per realizzare un buon rivelatori a stato solido che risponda a queste esigenze, bisogna scegliere un materiale che abbia una energia di gap elevata. In questo senso sono stati realizzati svariati studi su diversi materiali, quello che ha destato maggior interesse è il diamante….click..

Caratteristiche del diamante Diamond Silicon Germanium Caratteristiche del diamante Da notare oltre alla densita atomica e la ridotta distanza tra i primi vicini, la bassissima compressibilità del diamante, l’elevata energia di gap, l’elevata tensione di breakdown, l’alto valore del modulo di young e l’alta temperatura di fusione.Già Alla luce di questo brevissimo paragone quello che pare essere il miglior candidato è il …….. click

High visible rejection Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Diamond properties Gap Energy 5.47 eV High visible rejection Low thermal noise High sensitivity Il diamante è noto in particolare per l’elevato valore dell’energia di gap. … che conferisce a questo materiale alta sensibilità nel rivelare fotoni con lunghezza d’onda inferiore a 225 nm, quindi un ottima trasparenza al visibile, e basso rumore termico. Inoltre…click..

Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Diamond properties compactness Inter-atomic distance 1.54 Å Atomic density 0.176 Å-3 High bond energy hardness Il diamante con la sua ridotta distanza interatomica e densità atomica è dotato di elevata energia di legame che conferisce a questo materiale una straordinaria compattezza, durezza e bassa compressibilità e importante inerzia chimica. Il diamante è noto in particolare per l’elevato valore dell’energia di gap. … che conferisce a questo materiale alta sensibilità nel rivelare fotoni con lunghezza d’onda inferiore a 225 nm, quindi un ottima trasparenza al visibile, e basso rumore termico. Inoltre…click.. low compressibility Chemical inertia

Electric Contacts on diamond Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Electric Contacts on diamond Per misurare l’aumento della fotoconducibilità e per la polarizzazione del diamante serve realizzare una giunzione metallo- diamante. La realizzazione dei contatti è ottenuta tramite deposizione dalla fase gassosa. Di metalli come alluminio cromo ed oro. Le geometrie realizzabili sono molteplici a seconde delle varie applicazioni. In figura possiamo osservare due tipologie. A sinistra un contatto in Cr-Au interdigitato a pettine con area sensibile di 2x2 mm quadri distanza tra i contatti e la loro larghezza è di20 micron. Nella figura di destra si osserva un contatto a doppia mezzaluna del raggio di 1 mm e larghezza del canale centrale di 100 micron. Ed un anello di guardia esterno. Ma le geometrie non finiscono qui …

Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Arrays and pixels È possibile realizzare single pixel, arrays. Con diverse geometrie per le varie applicazioni sia UV che X. In foto 2x 50 pixels 80 micron x 100, o 7x 7 pixels 1x1 mm.

X ray Diamond trasmissivity Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X X ray Diamond trasmissivity Vediamo adesso la trassmissività del diamante nel range spettrale tra 4 e 20 keV. Come si può osservare essa è fortemente dipendente dallo spessore del substrato. Infatti ad esempio si può avere a 7 kev una riduzione anche del 40 variando lo spessore tra 100 e 350 micron. Questi li rendono come vedremo adatta sia a misure in trasmissione che per misure in assorbimento.

Attenuation lenght in diamond Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Attenuation lenght in diamond Vediamo velocemnete quali sono le tipiche lunghezza di attenuazione della radiazione a sempre tra 1 e 20 keV, l’andamento i9ndica una lunghezza di attenuazione che va dalle decine alle centinaia di micron.

V drift vs Electric field Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X V drift vs Electric field CVD diamond R. Sussman Diamo uno sgurado anche ai tempi di transito della carica nel diamante per avere una stima dei tempi di risposta. Sappiamo da studi in letteratura che la velocità di drift nel diamante ha un andamento come quello mostrato in grafico con una velocità di saturazioni di ….. Già a partire da campi elettrici di 10 kV per micron. Per questa stima è stato utilizzata una mobilità dei portatori media di 2000 cm^2/Vs. Ricordiamo che questa resta pur sempre una stima per valutare gli odg in realtà le cose sono un po’ più complicate di così.

Transit time in diamond vs thickness Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Transit time in diamond vs thickness Ad ogni modo assumento l’anamento mostrato in precedenza e supponendo li polarizzare il dispositivo con campi elettrici di 10 KV/cm otteniamo dei tempi di transito della carica nel diamante inj funzione dello spessore come quelli mostrati in figura. Si può osservare che quindi i tempi di risposta stimati solo dell’ordine dei nanosecondi.

Diamond in EXAFS application Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Diamond in EXAFS application Bene avendo quindi visto le potenzialità del diamante vediamo alcune delle applicazioni di questi dispositivi. Vediamo come utilizzare il diamante per applicazioni di spettroscopia X in assorbimento. Questo tipo di misure prevede l’utilizzo di un monocromatore interfacciato alla sorgente costituita dalla radiazione di sincrotrone. Questa passa attraverso una camera di ionizzazione Io per la misura del flusso incidente quindi sul campione in esame e poi di nuovo su una camera di ionizzazione. Le caemre a ionizzaiozne saranno riempite con gas con coeff di assorbimento differente a seconda che si tratti della caera Io e I1.

Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X DIAMOND vs IC Con l’idea di proporre i dispositivi a diamante come valido sostitudo delle camere a ionizzazione è stata innanniz tutto verificata la linearità della riaposta per vari flussi incidenti e paragonata direttamente con quella ottenuta dalle camere a ionizzaione. La linearità è ottima direi e con un coefficiente di determinaione pari a R^2= 0.99916. su un ampio range di valori.

Risultati Fe spectra Fe standard target Energy scan: 7000 – 7900 eV HPHT single crystal Fe spectra Fe standard target Energy scan: 7000 – 7900 eV A. De Sio et al., APL, 93, 083503 (2008) Qua invece possiamo vedere uno spettro Exafs del Fe. Nell’intervallo 7000 -7900 eV. Si possono osservare i picchi di assorbimento del target di ferro sia misurando con la camera ionizzazione che tramite il diamante in questo caso un singolo cristallo accresciuto tramite tecnica HPHT. In alto vi è lo spettro misurato dal diamante e in basso quello dell IC. Per un confronto diretto si veda la figura accanto. La risposta tra i due rivelatori è la solita e gli accordi con i fit teorici in ottimo accordo per entrambe.

Conclusioni Results: Good linearity of diamond in direct comparison with ICs. Good agreement in Fe Exafs spectra obtained with diamond vs ICs . Quindi sfruttando le potenzialità del diamante di risposta alla radiazione X. abbiamo dimostarto l’ottima linearità del diamante eseguendo un confronto diretto con la camera a ionizzazione. Ed inoltre abbiamo verificato il possibil eutilizzo del diamante per spettroscopia exafs ottenendo degli spettri ad esempio sul fe in ottimo accordo con le IC.

Diamond as beam monitor detector Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Diamond as beam monitor detector Invece grazie alla elevata mobilità dei portatori e alla bassa costante dielettrica il diamante può essere utilizzato per monitorare il fascio ade sempio nelle linee di sincrotrone. Vediamo l’esperimento eseguito per questo tipo di applicazione. Uno schema di principio si può osservare in figura.

Diamond as beam monitor detector Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Diamond as beam monitor detector La misura è simile a quella vista in precedenza stavolta è stata eseguita una misura tendendo fermo un asse e muovendo il fascio da una mezzaluna all’altra a passi di 10 micron e misurando l’intensità della fotocorrente. Come si può osservare via via che il fascio viene spostato il segnale diminuisce su una mezzaluna e conseguentemente aumenta nell’altra. Laddove i due segnali hanno lo stesso valore quella è la posizione centrata del fascio. Gli errori non sono stati riportati sul grafico. Sulla fotocorrente cmq il contributo di errore non è superiore al 1%. Vediamo adesso le misure di caratterizzaizione temporale del sensore.

432 pacchetti di Elettroni Magnete curvante Struttura temporale ELETTRA Linac Anello Accumulazione Elettra 432 pacchetti di Elettroni Periodo 2 ns , FWHM 130 ps Innanzitattutto vediamo la struttura temporale della radiazione di sincrotrone, questa ha la struttura dei pacchetti di elettroni circolante nell’anello. Con dei cerchi in giallo nell’animazione ho indicato iun pacchetto di elettroni in aranciano le luce di sincrotrone.. i pacchetti di elettroni nella modalità multibunch di ELETTRA sono 432, quindi si avrà un treno di 432 impulsi di radiaizone con un periodo tra di 2 ns ed una durata di 130 ps (verificata tramita una streak camera). Tra un treno e l’altro vi sono 43 ns di buio. 2.0 ns Magnete curvante 43 ns intervallo di buio Magnete curvante 18

Elettra temporal structure Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Elettra temporal structure

Elettra temporal structure Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Elettra temporal structure

Elevata risoluzione temporale (1 ns) . Conclusioni Results: Elevata risoluzione spaziale (10 micron) anche se limitata dallo spot-size del fascio. Elevata risoluzione temporale (1 ns) .

Bunch by bunch beam monitor detectors Rivelatori a stato solido basati su diamante per applicazioni su raggi X Future applications: Xas Io e I1 Exafs time-resolved Bunch by bunch beam monitor detectors X ray Imaging