M. Catitti, M. Iliescu,C. Petrascu, F. Sirghi, D. Sirghi,

INDICE ARGOMENTI

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

I RIVELATORI AL SILICIO

DEARDEAR : CCD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

SIDDHARTASIDDHARTA : SDD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

PRINCIPIO DELLA FLUORESCENZA

SPETTROSCOPIA : ANALISI DEL PATRIMONIO CULTURALE

IL TRIGGER

SETUP DI MISURA E TEST IN BTF

Dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in conduttori, isolanti e semiconduttori e sono caratterizzati dal parametro chiamato : resistenza elettrica (Ω) che lega la tensione applicata e la corrente che scorre all’interno del materiale attraverso la legge di OHM

V = R*Ilegge di ohm

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

R molto piccolo CONDUTTORE ~ 10 Ω*cm

R molto elevato ISOLANTE ~ 10 Ω*cm

-2

5

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Nella rappresentazione classica di microsistema planetario di un atomo costituito da un nucleo centrale positivo (protoni + neutroni) e da cariche negative, elettroni che ruotano attorno ad esso. Per un principio fondamentale della fisica gli elettroni legati ad un nucleo possono assumere solo determinati valori di energia nell’ambito di un insieme discontinuo di livelli, che anche se molto vicini sono comunque nettamente separati l’uno dall’altro.

Questo modello è soddisfacente per descrivere un atomo isolato, ma i termini del problema mutano completamente all’interno di un cristallo formato da numerosi atomi, qui gli elettroni sono liberi di muoversi senza uscire da esso, questo movimento di cariche rappresenta la corrente elettrica.

Per un cristallo quindi non si parlerà di livelli di energia ma di bande di energia ottenendo due possibili configurazioni: bande permesse separate da bande proibite oppure bande parzialmente sovrapposte.

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Nel primo caso, nei conduttori, anche l’azione di un debole campo elettrico può spostare elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione per avere corrente elettrica.

Nel secondo, negli isolanti, gli elettroni non andranno mai nella banda di conduzione, un alevato campo elettrico provocherebbe solamente una perforazione del materiale

Nel caso intermedio , nei semiconduttori, le bande permesse sono separate da un intervallo proibito di energia di pochi eV ( es 1.12 eV del silicio). I semiconduttori puri possono condurre elettricità ad elevata temperatura e grandi campi elettrici.

Introducendo ad arte nel cristallo di un semiconduttore intrinseco puro degli atomi diversi “drogaggio”che interrompono la sua regolarità periodica introduciamo nuovi livelli energetici dentro l’intervallo proibito aumentando cosi la conducibilità.

La maggior parte dei dispositivi elettronici, compresi I rivelatori utilizzati nel nostro esperimento si basano su semiconduttori al SILICIO

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Il SILICIO è un elemento chimico cristallino del IV gruppo della tavola periodica degli elementi.

T = 0 K T > 0 K

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 in cui alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III e V gruppo

Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (negative)

Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positive)

12 15Concentrazione atomi droganti ≈ 10 - 10 cm -3

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

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

La tensione di solglia in diretta è dovuta alla barriera di giuzione che vale 06 – 07 V

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*10 C-19

RIVELATORI AL SILICIO

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

Uno degli utilizzi del rivelatore al silicio è l’identificazione degli elementi chimici presenti in un campione ( es: opere d’arte, analisi della composizione del terreno) permettendo un’analisi non distruttiva non invasiva conoscendo il valore dell’energia che colpisce il rivelatore che è tipica dell’elemento (es: Fe 6.3 Kev) .

L’analisi degli elementi tramite rivelatore al silicio si effettua grazie al principio della fluorescenza

La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da alcuni tipi di raggi: Ultravioletti, Raggi X

LA FLUORESCENZA

Esempio applicazione: analisi non distruttive sul patrimonio culturale (Raggi X)

RIVELATORE

Spettrometro portatile per l’analisi della fluorescenza dei raggi X

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.

LA FLUORESCENZA

DEAR

DaDane Exotic Atoms Researchne Exotic Atoms Research

L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONEKAONE

Idrogeno

Idrogeno Kaonico

DEAR

Per studiare tali transizioni nasce la necessità di usare rivelatori al silicio sensibili a raggi X

Il K 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 2P1S di K K pari a 6,2 Kev cioè radiazioni nello spettro dei raggi X

__

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

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/rumoresegnale/rumore per ottenere una buona RISOLUZIONE (100-200 eV)

DEAR

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

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 2p1s , 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 sincronosincrono col segnale e quello asincronoasincrono

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

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

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

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

DEAR

DEAR

Lettura di una CCD

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.

DEAR

Per poter attenuare e eliminare questo inconveniente servono dei rivelatori con caratteristiche simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGERTRIGGER

Il TRIGGER TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo, ma non si può applicare alle CCD

DEAR

DEAR

DEAR

Da DEAR a SIDDHARTA

Il rivelatore di ultima generazione che può essere implementato un sistema di TRIGGER è SDD (SDD (SiliconSilicon Drift Detector) Drift Detector) introdotto nel 1983

Da DEAR a SIDDHARTA

Da DEAR a SIDDHARTA

Caratteristiche SDDCaratteristiche 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 eV @ 6KeV ( -10 °C)

• drift time 600ns 30.000 count/s

Il classico PIN (Positive-Intrinsic-Negative) il diodo rivelatore

n

n+

p+ -Vcc

ANODE

Entrance window

Da DEAR a SIDDHARTA

La capacità ell’anodo è proporzionale all’area attiva del rivelatore

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

n

n+

p+ -V cc

p+

I rivelatori a deriva

Anode

Entrance window

ANODO

La capacità dell’anodo è indipendente dall’area attiva.

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Acquisizione con trigger

Kaontrigger

Coincidencewindows

Detectedpulses

Consideredpulses

Kaon trigger X-ray pulseBackground pulse

dr max

Background reductions S/B = 5/1

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Beam pipe

Cryogenic target cellKaon trigger

e+

e-

SDDs array

Da DEAR a SIDDHARTA

Catena di acquisizione

Da DEAR a SIDDHARTA

Schema setup in BTF

Cu

Da DEAR a SIDDHARTA

setup in BTF

INTRODUZIONE AI RIVELATORI AL SILICIO

Spettri ottenuti in BTF