Il microfascio esterno di protoni all'acceleratore di Firenze:

set-up e applicazioni

Incontri di Fisica delle Alte Energie, IFAE, Pavia, 19-21 Aprile 2006

Lorenzo Giuntini

Dipartimento di Fisica dell’Universitàe

Sezione INFN Firenze, Italy

Facility di microfascioFacility di microfascio

...un ...un microscopiomicroscopio elettronico nel quale si elettronico nel quale si usano usano protoniprotoni come proiettili (sonde) come proiettili (sonde)

in entrambi si determina la composizione del in entrambi si determina la composizione del campione in esame per mezzo della radiazione campione in esame per mezzo della radiazione X emessaX emessa

con entrambi si ottengono mappe X-Y di con entrambi si ottengono mappe X-Y di distribuzione degli elementi presentidistribuzione degli elementi presenti

Microscopio a protoniMicroscopio a protoni

– Analisi in tracce (tra ppm e decine di ppm) grazie alle altissime sezioni d’urto, sino a migliaia di barn

– Può lavorare in vuoto e in fascio esterno

– Spessore analizzabile di decine di micron

Microscopio a protoni Microscopio a protoni con fascio esternocon fascio esterno

campioni di dimensioni qualunque

nessun prelievo

l’atmosfera limita molto il riscaldamento

“ “ “ l’evaporazione

“ “ “ la carica del campione

risoluzione spaziale molto buona (<10 m)

elimina i problemi delle analisi in vuoto:

Facility di microfascio esterno Facility di microfascio esterno di Firenzedi Firenze

1.1. Sorgente di protoni (decine di Sorgente di protoni (decine di A)A)

2.2. Acceleratore di particelle (MeV)Acceleratore di particelle (MeV)

3.3. Sistemi di trasporto del fascio sino Sistemi di trasporto del fascio sino

al canale di microfascioal canale di microfascio

Pre-requisiti:

acceleratore Tandem del laboratorio Labec di Firenzeacceleratore Tandem del laboratorio Labec di Firenze

1 - sorgente e trasporto a bassa energia1 - sorgente e trasporto a bassa energia

2 – accelerazione2 – accelerazione

Argon stripper

3 - trasporto del fascio al canale di microfascio 3 - trasporto del fascio al canale di microfascio

sala dell’acceleratore (sorgenti)sala dell’acceleratore (sorgenti)

acceleratore Tandem acceleratore Tandem (moltiplicatore tensione)(moltiplicatore tensione)

Facility di microfascio Facility di microfascio esterno di Firenzeesterno di Firenze

4.4. Ottica di focheggiamento forte QD Ottica di focheggiamento forte QD (distante dalle OS)(distante dalle OS)

5.5. Object slits OS per regolare le Object slits OS per regolare le dimensioni del fascio in ingressodimensioni del fascio in ingresso

6.6. Estrazione del fascio in esterno (fuori Estrazione del fascio in esterno (fuori dal vuoto)dal vuoto)

7.7. ScansioneScansione

10 m di fascio esterno su bersaglio;cosa serve?

linea di microfasciolinea di microfascio

OSQDQD

Bobine Bobine scansionescansione

Quadrupole Quadrupole Doublet QDDoublet QD

la lentela lente

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

0.5 mm

microfascio “esterno” : finestre

Microfascio esterno IMicrofascio esterno I

•percorso esterno il più corto possibile, 2 mm nel nostro set-up•in elio

2 mm

bersagliofascio

Microfascio esterno IIMicrofascio esterno II

atmosfera di He tra bersaglio e finestra di uscita del fascio

Demagnification factors (Dx,; Dy) 8; 45

Object slit aperture (m) 60 × 300

Collimation slit aperture (mm) 2 × 2

FWHM (m) (vacuum) 7.5 × 7

FWHM (FWHM (m) (helium)m) (helium) 9 × 89 × 8

FWHM (m) (air) 15 × 15

Cosa abbiamo ottenuto:

8.8. RivelazioneRivelazione

9.9. VisualizzazioneVisualizzazione

10.10. Acquisizione Acquisizione

(riorganizzazione dati)(riorganizzazione dati)

Per finire:

•2 rivelatori X per PIXE

•rivelatore particelle per BS

•rivelatore X per misura corrente

•rivelatore per PIGE

•allo studio rivelatore particelle in avanti

il set-up di rivelazione

set-up di rivelazione:

close-up

1

10

100

1000

10000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

nte

gg

i

CuSi

K

TiCu

Zn

Energy (keV)

Co

un

ts

1

10

100

1000

10000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

nte

gg

i

CuSi

K

TiCu

Zn

1

10

100

1000

10000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

nte

gg

i

CuSi

K

TiCu

Zn

Energy (keV)

Co

un

ts

11 5 m

1 0 m

11 5 m

1 0 m

Griglia di Cu su vetrino

11 5 m

1 0 m

11 5 m

1 0 m

Griglia di Cu su vetrino

Min.

Max.

CuSi

•energia E del raggio X rivelato

per ogni segnale dal rivelatore si acquisiscono :

•posizione (x, y) del fascio

500

m

scopo della misura: rivelare contaminanti nelle piste degli adattatori di passo di CMS

44 m

10 m

14 m

50 m

250 m

160 m

30 m

130 m

80 m

340 m

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 m2 su entrambi i lati dell’adattatore, sovrapposte di 60 m le une alle altre

microelettronica

mappa del rame

660 m

Immagine otticaLATO FAN-OUT

1

10

100

1000

10000

100000

0 5 10 15 20 25 30 35

energia (keV)

co

nte

gg

iBa L

Cr K

Cu K

Sr K

Sb KBa K

Ca KBIG

Come si vede...

La contaminazioneLa contaminazione

Cu

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)

Stilo d’argento(Hannover, Landesmuseum)

S. Luca che ritrae la Vergine(dettaglio)Boston, Museum of Fine Arts

Rogier Van der Weyden

STUDIO DI CAVALIEREUffizi, Gabinetto Disegni e Stampe

Punta metallica, carta preparata a bianco di piombo e terra verde

PROFILO DI DONNAParigi, Louvre

Punta metallica su carta preparata

Paolo Uccello Pisanello

STUDIO DI DRAPPEGGIORoma, Istituto Nazionale per la Grafica

punta metallica + bianco di piombo su carta preparata

Leonardo da Vinci

Analisi di disegni a punta metallica

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 mm1 mm

Analisi per scopi conservativi: sono opere molto delicate e preziose, fino ad ora studiate poco e solo dal punto di vista storico artistico

Necessità di tecnica di “imaging”, con risoluzione delle decine dei micron e assolutamente non distruttiva

Test su campioni preparati in laboratorioCarta preparata con cinabro (HgS) e bianco di piombo

Mappa Pb

Stilo di Pb

2 m

m

Analisi di inchiostri metallo-gallici (I)

Mappa Cu

Mappa Fe

1 mm

1 cm

Analisi di inchiostri metallo-gallici (II)Fotografia

Fotografia con retroilluminazione

Mappa Cu(ottenuta con

protoni da 3 MeV)

Analisi di inchiostri metallo-gallici (III)

Fotografia

Fotografia con retroilluminazione

Mappa Fe

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)