Il microfascio esterno di protoni all'acceleratore di Firenze: set-up e applicazioni Lorenzo Giuntini Dipartimento di Fisica dell’Università e Sezione INFN Firenze, Italy Incontri di Fisica delle Alte Energie, IFAE, Pavia, 19-21 Aprile 2006

Facility di microfascio ...un microscopio elettronico nel quale si usano protoni come proiettili (sonde) in entrambi si determina la composizione del campione in esame per mezzo della radiazione X emessa con entrambi si ottengono mappe X-Y di distribuzione degli elementi presenti

Microscopio a protoni Analisi in tracce (tra ppm e decine di ppm) grazie alle altissime sezioni d’urto, sino a migliaia di barn Spessore analizzabile di decine di micron Può lavorare in vuoto e in fascio esterno

Microscopio a protoni con fascio esterno risoluzione spaziale molto buona (<10 mm) elimina i problemi delle analisi in vuoto: campioni di dimensioni qualunque nessun prelievo l’atmosfera limita molto il riscaldamento “ “ “ l’evaporazione “ “ “ la carica del campione

Facility di microfascio esterno di Firenze Pre-requisiti: Sorgente di protoni (decine di mA) Acceleratore di particelle (MeV) Sistemi di trasporto del fascio sino al canale di microfascio

acceleratore Tandem del laboratorio Labec di Firenze

1 - sorgente e trasporto a bassa energia

2 – accelerazione Argon stripper

3 - trasporto del fascio al canale di microfascio

sala dell’acceleratore (sorgenti)

acceleratore Tandem (moltiplicatore tensione)

Facility di microfascio esterno di Firenze 10 mm di fascio esterno su bersaglio; cosa serve? Ottica di focheggiamento forte QD (distante dalle OS) Object slits OS per regolare le dimensioni del fascio in ingresso Estrazione del fascio in esterno (fuori dal vuoto) Scansione

linea di microfascio QD OS

la lente Bobine scansione Quadrupole Doublet QD

microfascio “esterno” : finestre 0.5 mm finestre Si3N4 100 nm thick - 0.5 x 0.5 mm2 wide - 1.0 x 1.0 mm2 wide finestra montata su nasino di uscita del fascio

Microfascio esterno I percorso esterno il più corto possibile, 2 mm nel nostro set-up fascio bersaglio in elio 2 mm

Microfascio esterno II atmosfera di He tra bersaglio e finestra di uscita del fascio

Cosa abbiamo ottenuto: Demagnification factors (Dx,; Dy) 8; 45 Object slit aperture (mm) 60 × 300 Collimation slit aperture (mm) 2 × 2 FWHM (mm) (vacuum) 7.5 × 7 FWHM (mm) (helium) 9 × 8 FWHM (mm) (air) 15 × 15

Per finire: Rivelazione Visualizzazione Acquisizione (riorganizzazione dati)

il set-up di rivelazione 2 rivelatori X per PIXE rivelatore particelle per BS rivelatore X per misura corrente rivelatore g per PIGE allo studio rivelatore particelle in avanti

set-up di rivelazione: close-up

per ogni segnale dal rivelatore si acquisiscono : energia E del raggio X rivelato posizione (x, y) del fascio 500 mm Si Min. Max. Cu

microelettronica scopo della misura: rivelare contaminanti nelle piste degli adattatori di passo di CMS Lato fan-in Lato fan-out strato di pochi mm di Al su sottile strato di Cr (~100 nm) allargamento (pad) alle estremità delle piste per le saldature scansione integrata: 4 scansioni magnetiche di 360x360 mm2 su entrambi i lati dell’adattatore, sovrapposte di 60 mm le une alle altre

il rame viene dalle piste La contaminazione BIG mappa del rame Immagine ottica LATO FAN-OUT 660 mm Cu Cu Come si vede... il rame viene dalle piste

Analisi di disegni a punta metallica su carte preparate Vari tipi di stilo metallico per scrivere su carta ( Köln, museo diocesano)

Rogier Van der Weyden S. Luca che ritrae la Vergine (dettaglio) Boston, Museum of Fine Arts Stilo d’argento (Hannover, Landesmuseum)

Paolo Uccello Pisanello PROFILO DI DONNA Parigi, Louvre Punta metallica su carta preparata STUDIO DI CAVALIERE Uffizi, Gabinetto Disegni e Stampe Punta metallica, carta preparata a bianco di piombo e terra verde

Leonardo da Vinci STUDIO DI DRAPPEGGIO Roma, Istituto Nazionale per la Grafica punta metallica + bianco di piombo su carta preparata

Analisi di disegni a punta metallica Analisi per scopi conservativi: sono opere molto delicate e preziose, fino ad ora studiate poco e solo dal punto di vista storico artistico Problema: non uniformità (su scala << 1 mm) del segno lasciato dalla punta metallica, in presenza di una carta la cui preparazione colorata può contenere composti dello stesso metallo 1 mm Necessità di tecnica di “imaging”, con risoluzione delle decine dei micron e assolutamente non distruttiva

Test su campioni preparati in laboratorio Carta preparata con cinabro (HgS) e bianco di piombo Stilo di Pb 2 mm Mappa Pb

Analisi di inchiostri metallo-gallici (I) 1 cm 1 mm Mappa Cu Mappa Fe

Analisi di inchiostri metallo-gallici (II) Mappa Cu (ottenuta con protoni da 3 MeV) Fotografia Fotografia con retroilluminazione

Analisi di inchiostri metallo-gallici (III) Mappa Fe Fotografia Fotografia con retroilluminazione

Conclusioni Il microfascio di Firenze è uno strumento sensibile, potente e flessibile Consente di avere una sonda di dimensione variabile da pochi micron a qualche decimo di millimetro Permette di fare analisi puntuali e mappature sino a 2.5 x 2.5 cm2 L’analisi può essere eseguita in list mode, il che permette il “re-playing” della misura in qualunque modo si voglia Il set-up esterno consente analisi veloci e non distruttive (nonostante si concentri la potenza del fascio, dell’ordine dei mW, su aree diecimila volte più piccole dell’usuale)