IL NUCLEO Parte centrale dellatomo, costituita da neutroni e protoni.
Il microfascio esterno di protoni all'acceleratore di Firenze: set-up e applicazioni Incontri di...
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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)