INDICE ARGOMENTI I RAGGI “X” SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”

Presentazione sul tema: "INDICE ARGOMENTI I RAGGI “X” SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”"— Transcript della presentazione:

1 INDICE ARGOMENTI I RAGGI “X” SPETTROSCOPIA E TUBO A RAGGI “X”
PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA ANALISI SPETTROSCOPICA DEL PATRIMONIO CULTURALE INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO DEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO IL TRIGGER SETUP DI MISURA E TEST IN BTF Marco Catitti 1 /44

2 λ =c/ν λ Raggi “x” 10nm <λ< 0.001nm 100eV<E<1000Kev
I RAGGI “X” λ λ =c/ν Raggi “x” 10nm <λ< 0.001nm 100eV<E<1000Kev E(eV) =1.24 / λ(µm) λ -Lunghezza d’onda (m) ν- Frequenza (Hz) c – velocità della luca (m/s) E – energia (eV) h – costante di planck Marco Catitti 2 /44

3 Elettroni retrodiffusi il loro numero è maggiore con atomi pesanti
I RAGGI “X” A seguito dell’interazione degli elettroni primari con il bersaglio si verificano i seguenti fenomeni: Elettroni retrodiffusi il loro numero è maggiore con atomi pesanti Interazioni con elettroni piu’ esterni molti di questi fuoriescono con bassa energia eV Interazione con elettroni più interni producono le righe caratteristiche del bersaglio (anodo) Diffusione anelastica in prossimità dei nuclei dell’anodo . Produzione dello spettro continuo (Bremsstrahlung) Marco Catitti 3 /44

4 I RAGGI “X” Di questo processo solo 0.1% energia viene utilizzata per la produzione dei raggi “x” in restante 99,9% e trasformata in calore E =h* ν La radiazione emessa è composta da due tipi spvrapposti di spettro Marco Catitti 4 /44

5 PRODUZIONE DI RAGGI “X”
Marco Catitti 5 /44

6 PRODUZIONE DI RAGGI “X”
I raggi x vengono prodotti in appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di potenziale elettrico (decine di migliaia di volt) gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale, per un fenomeno fisico assai complesso, emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x. Marco Catitti 6 /44

7 INTERAZIONE DEI RAGGI “X” CON LA MATERIA
Per capire come vengono riveleti I raggi X osseriamo l’interazione con la materia Ci sono tre tipi di interazione Effetto fotoelettrico Effetto compton Produzione di coppie Marco Catitti 7 /44

8 APPLICAZIONE DEI RAGGI ”X”
Le più importanti applicazioni dei raggi X si trovano nel campo della ricerca scientifica, nell'industria, nello studio del patrimonio culturale e in medicina. Tramite il fenomeno della fluorescenza è possibile effettuare l’analisi non distruttiva degli elementi, composti chimici presenti in un campione nell'industria metallurgica, vengono utilizzati nei metodi non distruttivi di controllo della qualità di leghe metalliche ottenute per fusione: le immagini a raggi X raccolte su opportune piastre fotografiche permettono infatti di individuare eventuali bolle In medicina i raggi X trovano numerose applicazioni: la radiologia rappresenta un vero e proprio settore medico, caratterizzato da specifiche tecniche diagnostiche e terapeutiche. Autenticità e ricerca metodi di restauro di opere d’arte Marco Catitti 8 /44

9 LA FLUORESCENZA La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X Marco Catitti 9 /44

10 LA FLUORESCENZA Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X) Spettrometro portatile per l’analisi della fluorescenza dei raggi X RIVELATORE Marco Catitti 10 /44

11 LA FLUORESCENZA Nello spettro di fluorescenza dell’affresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe, ocra gialla) e di oro (Au). Questo tipo di analisi permette di verificare sia l’autenticità dell’opera che la presenza di eventuali restauri. Marco Catitti 11 /44

12 I RIVELATORI DI PARTICELLE
I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare I deboli segnali prodotti da particelle sub-atomiche. Nel nostro caso parleremo di rivelatori di fotoni associati alla radiazione elettromagneti nello spettro dei raggi X I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia della radiazione emessa In particolare I rivelatori al silicio sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale elettrico proporzionale all’energia dei fotoni incidenti. T = 0 K T > 0 K Marco Catitti 12 /44

13 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
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 Boro e chiamato di TIPO P (positive) Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (negative) 12 15 Concentrazione atomi droganti ≈ cm -3 Marco Catitti 13 /44

14 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P All’equilibrio si forma una regione di carica spaziale Marco Catitti 14 /44

15 INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO
Un Rivelatore al silicio è una giunzione P-N che lavora in polarizzazione inversa, non ci interessa la corrente diretta ma il numero di elettroni immagazzinati. V = tensione elettrica Ne = Numero di elettroni Co = Capacità di storage Qe = Carica elettrone 1.6* C -19 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 Gli elettroni vengono raccolti dall’anodo per formare il segnale in tensione Marco Catitti 15 /44

16 DEAR Dafne Exotic Atoms Research Marco Catitti 16 /44

17 DEAR DAFNE K- e+ e- f K+ Marco Catitti 17 /44

18 DEAR L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE Idrogeno Idrogeno Kaonico Marco Catitti 18 /44

19 DEAR 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 spostata di alcune centinaia di eV da 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X in presenza della Sola forza elettromagnatica _ Per studiare tali transizioni nasce la necessità di usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X Marco Catitti 19 /44

20 DEAR La misura del Kα e quindi di ∆E serve per determinare gli effetti della forte interazione ovvero trovare lo spostamento ε Nella realtà quando andiamo a rivelare Kα ci sono anche altre particelle indesiderate che disturbano la nostra misura e che dobbiamo rigettare Marco Catitti 20 /44

21 DEAR La presenza di altre particelle provoca RUMORE diminuendo capacità di identificazione delle transizioni specifiche dell’atomo Kaonico,dobbiamo quindi riuscire ad ottenere un buon rapporto segnale/rumore per ottenere una buona RISOLUZIONE ( eV) Marco Catitti 21 /44

22 DEAR FONDO SINCRONO FONDO ASINCRONO 22 /44
In una misura su atomi esotici quali idrogeno e deuterio kaonici, il segnale è rappresentato da raggi X la cui energia è alcune centinaia di eV differente da 6.4 keV e 7.8 keV, rispettivamente, nel caso dell’idrogeno e in quello del deuterio. Queste sono le energie delle transizioni 2p1s , nella realta, in questa regione energetica ci sono delle transizioni indesiderate che rappresentano il rumore di fondo o background. Vi sono due tipi di fondo, quello sincrono col segnale e quello asincrono FONDO SINCRONO FONDO ASINCRONO Il fondo sincrono è, per definizione, associato alla produzione dell’evento, in questo caso la formazione e il decadimento dell’atomo esotico:quando non è catturato in un’orbita atomica a formare l’atomo kaonico, viene assorbito nel materiale del setup e in quello del rivelatore e successivo decadimento .tale fondo in teoria non può essere eliminato ma per le proprietà topologiche di reiezione delle CCD, basate sul criterio del cut sul singolo pixel il rapporto segnale fondo vale risulta S/B  20 : 1 possiamo dire che il fondo adronico sincrono in DEAR è trascurabile Il fondo asincrono è quello non correlato alla creazione dell’atomo esotico. È causato dalle particelle circolanti nell’anello e perse dai fasci, essenzialmente per quattro cause: l’effetto Toushek, cioè lo scattering elastico particella-particella entro lo stesso bunch con variazione di momento delle due particelle (una acquista e l’altra perde); l’apertura dinamica della macchina (la componente intrinseca, indipendente dell’effetto Toushek); l’interazione col vuoto residuo; la dinamica beam-beam nel punto di interazione (per la parte non lineare). I fondo asincrono misurato in DEAR: S/B  1:100 Marco Catitti 22 /44

23 DEAR 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 informazione sotto forma di carica elettrica Marco Catitti 23 /44

24 DEAR Le CCD vengono utilizzate nelle telecamere e macchine fotografiche digitali, e sono delle matrici di pixel , ogni pixel è una giunzione P-N La carica elettrica che si sviluppa all’interno dell CCD e dovuta al passaggio dei raggi X che crea coppie elettrone-lacuna Marco Catitti 24 /44

25 DEAR Per diminuire il rumore nelle CCD e quindi rigettare il segnale proveniente da altre particelle e non raggi-X vengono utilizzati dei sistemi software Raggi X Altro Marco Catitti 25 /44

26 DEAR Lettura di una CCD Marco Catitti 26 /44

27 DEAR Il tempo necessario per leggere le CCD è di circa 30 sec. Un tempo di esposizione troppo elevato, come se fosse una macchina fotografica senza otturatore. Marco Catitti 27 /44

28 DEAR Per poter attenuare e eliminare questo inconveniente servono dei rivelatori con caratteristiche simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGER Il TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo, ma non si può applicare alle CCD Marco Catitti 28 /44

29 DEAR Marco Catitti 29 /44

30 Da DEAR a SIDDHARTA Obiettivi:
1 – misura dell’idrogeno Kaonico con precisione eV 2 – prima misura del deuterio Kaonico Marco Catitti 30 /44

31 KpX KpX (KEK) width G1s [eV] DEAR SIDDHARTA shift e1s [eV]
DA DEAR A SIDDHARTA width G1s [eV] KpX -500 500 200 400 600 800 1000 shift e1s [eV] Davies et al, 1979 Izycki et al, 1980 Bird et al, 1983 KpX (KEK) M. Iwasaki et al, 1997 G = 407 ± 208 ± 100 eV = ± 63 ± 11 eV DEAR SIDDHARTA Marco Catitti 31 /44

32 DA DEAR A SIDDHARTA Scelta del rivelatore SDD per studi sull’atomo esotico 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 100 200 300 400 500 600 700 800 A (cm-2) FWHM (eV) SDD PIN Si(Li) K keV line PIN Tsh=20us Si(Li) Tsh=20us SDD Tsh=1us FWHMmeas at monoenergetic line 5.9 keV, 1cm2 detector at 150 K SDD FWHM=140eV tshap =1ms Si(Li) FWHM=180eV tshap =15ms PIN diode FWHM=750eV tshap =20ms CCD FWHM=140eV tframe=1s Marco Catitti 32 /44

33 DA DEAR A SIDDHARTA Il rivelatore di ultima generazione che può essere implementato un sistema di TRIGGER è SDD (Silicon Drift Detector) introdotto nel 1983 Marco Catitti 33 /44

34 DA DEAR A SIDDHARTA 34 /44 Caratteristiche SDD:
Substrato N-Type 300 µm alta resistività 3KΩ*cm n – JFET integrato Piccola capacità dell’anodo ( circa 100 fF) indipendente dall’area attiva efficenza 90 10Kev < 50% @ 15 Kev risoluzione 200 6KeV ( -10 °C) drift time 600ns  count/s Marco Catitti 34 /44

35 DA DEAR A SIDDHARTA Entrance window ANODE 35 /44
Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore n + p - V c ANODE Entrance window La capacità ell’anodo è proporzionale all’area attiva del rivelatore Marco Catitti 35 /44

36 DA DEAR A SIDDHARTA Anode 36 /44 I rivelatori a deriva Entrance window
ANODO La capacità dell’anodo è indipendente dall’area attiva. Marco Catitti 36 /44

37 DA DEAR A SIDDHARTA SIDDHARTA utilizza un rivelatore a grande costuittuito da SDD con un area attiva totale di area 192 cm2 Marco Catitti 37 /44

38 e- e+ Beam pipe SDDs array Kaon trigger Cryogenic target cell
DA DEAR A SIDDHARTA Beam pipe SDDs array e- e+ Kaon trigger Cryogenic target cell Marco Catitti 38 /44

39 DA DEAR A SIDDHARTA Il rivelatore di SIDDHARTA è composto da:
32 moduli Ogni modulo contiene 6 SDD 32*6 = SDD Ciascun SDD ha un area di 1cm2. L’area totale attiva sarà di 192 cm2 Modulo con 6 SDD (6*1cm2) Marco Catitti 39 /44

40 tdr max Background reductions S/B = 5/1 TRIGGER Kaon trigger
Coincidence windows tdr max Detected pulses Considered pulses Kaon trigger X-ray pulse Background pulse S/B = 5/1 Background reductions Marco Catitti 40 /44

41 TEST SU SDD IN BTF Marco Catitti 41 /44

42 TEST SU SDD IN BTF Schema setup in BTF Cu Marco Catitti 42 /44

43 TEST SU SDD IN BTF setup in BTF Marco Catitti 43 /44

44 TEST SU SDD IN BTF Spettri ottenuti in BTF dove risulta ridotto il fondo grazie al sistema di trigger Marco Catitti 44 /44