LOGOS Proposta di un esperimento INFN - gruppo V Laue Optics for Gamma-ray ObservationS INFN-FE e INFN-LNL Andrea Mazzolari, 08/10/2013, Roma.

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1 LOGOS Proposta di un esperimento INFN - gruppo V Laue Optics for Gamma-ray ObservationS INFN-FE e INFN-LNL Andrea Mazzolari, 08/10/2013, Roma

2 Descrizione TematicaRivelatori Obiettivi:Produzione di elementi ottici per lenti di Laue per focalizzare raggi X duri o Gamma (nel range 80-1000 KeV) attraverso l’induzione di curvatura controllata in cristalli di silicio e germanio Unità OperativeUO1: INFN-FE Curvatura meccanica: film tensili o compressivi Caratterizzazione X (<150keV) @ LARIX Interferometria Ottica UO2: INFN-LNL Impiantazione ionica Diffrazione di raggi X Rutherford back scattering Durata:2 anni LOGOS

3 Motivazioni scientifiche Supernove di tipo Ia Studio della linea di emissione a 847 keV prodotta dal decadimento del 56 Ni nelle esplosioni di supernova Ia. Catena di decadimento del 56 Ni: Candele standard usate dai cosmologi per determinare la forma dell’universo su grande scala Lo studio della linea emissiva a 812 e 847 keV fornirà informazioni utili per validare modelli cosmologici e per investigare la nucleosintesi delle supernove.

4 L’origine dei positroni nella gassia Binarie X di piccola massa (LMXRB)? Materia oscura ? Decadimento di 26 Al ? Necessità di risolvere sorgenti puntiformi (P. von Ballmoos, J. Knödlseder et al., 2005, A&A, 441, 513) Immagini della Galassia ottenuta con i fotoni di energia 511 keV sono dominate da un bulbo centrale descrivibile come la sovrapposizione di due gaussiane aventi FWHM rispettivamente di 3.5° e 11.5° Il rapporto tra le luminosità del centro e del disco galattico è circa 2-3 L'emissione proveniente dal disco galattico più interno mostra una distinta asimmetria Risultati recenti Linea di annichilazione e + /e - (511 keV)

5 Imaging in nuclear medicine: SPECT Rispetto alle metodologie attuali, l’uso di cristalli curvi migliorerebbe la rivelazione di raggi gamma nella diagnostica SPECT, provvedendo una migliore risoluzione e l’esposizione del paziente ad una più bassa dose di radiazioni. Cristallo curvo (geometria di LAUE) Rivelatore Sorgente di raggi gamma Decay of 99m Tc to 140 keV photons 99 Mo → 99m Tc + β − + ν e 99m Tc → 99 Tc + γ -

6 Una lente di Laue realizzata con cristalli curvi potrebbe concentrare fotoni di 511 keV prodotti nelle reazioni di annichilazione e fornire immagini con una maggiore risoluzione rispetto a quelle ottenute con gli strumenti attuali. Imaging in nuclear medicine: PET

7 Lenti di Laue X rays Focal plane detector Laue lens Dispositivo ottico per concentrare la radiazione avente energia entro una certa banda passante (raggi x hard/ γ soft) verso un rivelatore. I cristalli sono disposti in cerchi concentrici e diffrangono in geometria trasmissiva

8 Cristalli curvi Quasi mosaic (QM) curvature In un cristallo non curvo efficienza di diffrazione non maggiore a 50% a causa di re-diffrazioni. In un cristallo curvo efficienza di diffrazione prossima a 100%. Realizzazione di cristalli curvi tramite deformazione QM Cristalli intrinsecamente curvi per contenere il peso

9 Metodo delle indentazioni LSS ha prodotto 150 cristalli di germanio di dimensioni 30x10x2 mm 3, deformati tramite indentazioni superficiali e con orientazioni cristallografiche atte ad eccitare l’effetto di quasi-mosaicità. Guidi et. al. 2011, J. Appl. Cryst., 44, 1255 Camattari et. al. 2013, Meccanica

10 Caratterizzazione presso ESRF Normalized counts arcseconds Cristalli indentati testati tramite diffrazione in geometria Laue. Scopo dell’esperimento è studiare le performances dei cristalli. Bellucci et al. Exp. Astron. 31 (2011) 45–58 Fascio di raggi x di energia tra 150 e 700 keV con elevata monocromaticità e bassa divergenza. Cristalli curvi permettono di focalizzare e concentrare raggi x di elevata energia con elevata efficienza di diffrazione e permettono inoltre di incrementare la banda passante della lente.

11 Stato dell’arte Metodo delle indentazioni -> dimostrato ed ottenuto con elevata riproducibilità. Banda passante proporzionale alla curvatura secondaria del cristallo e allo spessore. Il metodo funziona fino a spessori di 2 mm (banda passante circa 5 arcsec). Rimozione significativa di materiale Necessità di spessori più elevati per banda passante più ampia

12 Scopo dell’esperimento Realizzazione di cristalli di silicio e germanio curvi mediante deposizione di film tensionati: film sottili (decine a centinaia di nm) film spessi (da micron a mm) Deformazione controllabile agendo su: natura del film spessore del film condizioni di deposizione del film patterning del film tramite tecniche fotolitografiche

13 Deformazioni indotte da film sottili o spessi (INFN-Fe) Deposizione di film sottili (qualche centinaia di nm) tramite tecniche tipicamente utilizzate in microelettronica: Ottimizzazione delle condizioni di deposizione per ottenere elevati stress e deformazioni dei substrati. Possibilità di controllare lo spessore depositato con accuratezza nanometrica. Deposizione di film spessi (da qualche μm a qualche mm) Minore controllo sullo spessore depositato, ma maggiore stress.

14 Swelling indotto da impianto ionico  curvatura Ikeyama, M et al., S. Surface swelling of MeV Si ion implanted silicon. In Ion Implantation Technology Proceedings, 1998 International Conference on; 1999, 736. Giri, P.; Raineri, V.; Franzo, G.; Rimini, E. Mechanism of Swelling in Low-energy Ion- irradiated Silicon. Physical Review B 2001, 65. Deformazioni indotte da impiantazione di ioni (LNL) Controllo spessore swelling -> curvatura Patternabilità

15 Impiantazione ionica: test preliminari R curv ~ 50 - 70 m (impianto) R curv ~ 40 m (meccanico)* (*) Camattari, R.; Guidi, V.; Bellucci, V.; Neri, I.; Frontera, F.; Jentschel, M. Self-standing Quasi-mosaic Crystals for Focusing Hard X-rays. Review of Scientific Instruments 2013, 84, 053110–053110–4.

16 Caratterizzazioni Morfologiche  interferometria ottica (LSS) Strutturali  Diffrazione di raggi X 8 KeV (UniPd e LSS) RBS (LNL) SIMS (UniPd) TEM/SEM (LNL) LARIX, diffrazione raggi X in modalità LAUE (UniFe) ILL/ESRF (Grenoble)

17 Interesse da parte di enti esterni Regione Emilia Romagna (ha già co-finanziato una borsa di dottorato). Riba (Faenza)  possibilità di ricadute tecnologiche e fornisce servizi a prezzo di costo.

18 LOGOS: personale coinvolto INFN-FEINFN-LNL Nome e tipologia% % Bellucci Valerio (Dottorando)100 Giovanni Mattei (PO)50 Guidi Vincenzo (PO)20 Carlo Scian (Tecnologo)50 Paternò Gianfranco (Dottorando)50 Mattarello Valentina (Dottorando) 100 Mazzolari Andrea (RTD)40 Virgilli Enrico (Assegnista)50

19 Grazie Grazie per l’attenzione!

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22 Budget di spesa Voci Spesa INFN-FE (primo anno)k€ Missioni6.5 Consumabile40 Trasporti1.5 Manutenzione5 Inventariabile5 Costruzione apparati9 Servizi0 Voci Spesa INFN-Fe+INFN-LNL (secondo anno) k€ Missioni11.5 Consumabile31 Trasporti1.5 Manutenzione7 Inventariabile5 Costruzione apparati3.5 Servizi1 Voci Spesa INFN-LNL (primo anno)k€ Missioni5 Consumabile11.5 Trasporti0 Manutenzione2 Inventariabile0 Costruzione apparati4 Servizi1