Silicon Drift Detectorper la rivelazione di raggi X

Stagisti:Corinne CinelliChiara GargiuloGiorgia Leoncini

Edoardo MazzucchiM Cristina Raspone

Stefania Romani

Tutors:Marco CatittiFlorin SirghiDiana Sirghi

Massimiliano Bazzi

Stage invernale

2006

22/02/06-

11/05/06

Indice Argomenti•Raggi X

•Rivelatori al Silicio (silicon drift detector)

•Esperimento DEAR e SIDDHARTA

•Analisi Dati

•Esperienze di Laboratorio :La legge di OHM

Metodo volt-amperometrico

Misura del guadagno di un

amplificatore

Raggi XI raggi X sono onde elettromagnetiche, entita’ che si manifestano attraverso una serie di impulsi che costituiscono un segnale sinusoidale che a seconda della lunghezza d’onda vengono individuate in una banda dello spettro elettromagnetico.

λ

λ =c/ν

λ -Lunghezza d’onda (m)

ν- Frequenza (Hz)

c – velocità della luce (m/s)

100eV<E<1000Kev

Produzione di raggi X

Gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x. 0,1%

99,9% calore

1-Raggi x prodotti dalla forte decelerazione degli elettroni nelle collisioni con I nuclei atomici (chiamata Bremsstrahlung)

2- Raggi x prodotti dalle transizioni degli elettroni nelle orbite piu profonde degli atomi ( raggi x caratteristici del materiale)

Applicazioni di raggi X

Autenticita’ e ricerca di metodi di restauro delle opere d’arte

Tecniche diagnostiche e terapeutiche

Industria metallurgica

Rivelatori al silicio1 -I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici utilizzati per poter misurare I deboli segnali prodotti da particelle sub-atomiche.

2- I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia e lo spettro dei raggi x, in particolare i rivelatori al silicio sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale proporzionale all’energia dei raggi X incidenti

T = 0 K T > 0 K

DROGAGGIOIl 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)

Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P

All’equilibrio si forma una regione di carica spaziale

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

Giunzione P-N

V=Ne*Qe/Co

(Da(Dane Exotic Atoms Research)ne Exotic Atoms Research)

L’esperimento DEAR

Rivelatore al silicio

Dear e’ un esperimento che studia l’atomo esotico in DAFNE

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

Idrogeno Idrogeno Kaonico

(Da(Dane Exotic Atoms Research)ne Exotic Atoms Research)

L’esperimento DEAR

L’Atomo esotico

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

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DEAR: principio di funzionamento

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 informazioni sotto forma di carica elettrica, ma hanno tempi di lettura relativamente elevati, sono quindi sensibili al rumore

TRIGGER

Il TRIGGER TRIGGER limita il tempo di acquisizione ad una finestra temporale prefissata diminuendo il rumore di fondo.

Il “rumore di fondo” puo’essere di due tipi:

- SINCRONO, legato all’evento stesso;

- ASINCRONO, legato a sorgenti esterne.

Da DEAR al nuovo esperimento SIDDHARTA

Per poter attenuare e eliminare l’inconveniente del “rumore di fondo” servono dei rivelatori con caratteristiche simili alle CCD ma con la possibilità di utilizzare un TRIGGER TRIGGER

Per questo motivo nasce l’esperimento SIDDHARTA che utilizza SDD (Silicon Drift Detector) che sono rivelatori ad alta velocità

(Silicon drift detector for Hadronic by timing application)

CCD SDD

ANALISI DATI

RIVELATORE ANALISI DATI

Con l’analisi dati si studiano le informazioni acquisite tramite il rivelatore.

Questo studio consiste nell’osservazione dello spettro energetico

Rappresenta graficamente la distribuzione del numero di particelle che formano la radiazione in funzione della loro energia

LA NOSTRA ESPERIENZA DI ANALISI DATI

Utilizzando il programma Origin 5.0 professional abbiamo effettuato un “fitting” dei dati a disposizione ottenendo una distribuzione di Gauss che caratterizza la forma di un picco.

Il rivelatore fornisce il numero di eventi in relazione ai canali, per determinare il valore energetico del canale dobbiamo effettuare una calibrazione.

1100 1120 1140 1160 1180 12000

5000

10000

15000

20000

25000

Data: Data1_eventiModel: GaussEquation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 91725.87029R^2 = 0.99862 y0 244.73514 ±59.95515xc 1156.57522 ±0.04947w 24.08245 ±0.13338A 681094.40052 ±4526.16831

Eve

nti

Canale

eventi B

Mn K

0 500 1000 1500 20000

5000

10000

15000

20000

25000

eventi

Eve

nti

Canali

La forma del picco puo essere caratterizzata da una distribuzione di Gauss.

= larghezza a meta altezza (full-width at half maximum:FWHM)

= valore medio (la

posizione del picco)

= deviazione standard

354.2

= la RISOLUZIONE del rivelatore

La distribuzione di GAUSS

ESPERIENZE DI LABORATORIO

Resistenze: componenti elettronici la cui funzione e limitare la corrente elettrica per polarizzare altri dispositivi elettronici collegati in serie. Il comportamento dei resistori segue la legge di Ohm

V= R x I

V tensione elettrica (Volt)

I corrente elettrica (Ampere)

R resistenza elettrica (Ohm)

Resistenze in serie

Resistenze in parallelo

Metodo voltamperometrico

Una volta ottenuti i dati necessari utilizziamo il software ORIGIN 5.0 per il “linear-fit” che permette attraverso la conoscenza di valori di V e I di calcolare il parametro A che sarà il valore della nostra resistenza per la legge di ohm.

Y = A*X+B (B = 0) ; V = R*I 

X V Y I

I = (1/R) *V

R = 1/A

Misura del guadagno di un amplificatore

R1 = 1.2 KR2 = 1.2 KA = 1 + (1.2/1.2) A = 2 Vu = 2* Vi

ConclusioniL’esperienza di questo stage si e’rivelata molto interessante perche’ ci ha permesso di ampliare le nostre conoscenze al di la’ del programma scolastico e di entrare a contatto con il mondo del lavoro dei ricercatori di fisica sub-nucleare. Tutto cio’ ha contribuito a farci apprendere meglio concetti a volte complicati, che in questo modo sono rimasti impressi piu’ facilmente nella nostra mente grazie soprattutto al supporto dei tutors.

Volevamo quindi ringraziarli poiche’ ci hanno seguito durante questi incontri con pazienza e ci hanno proiettato verso l’infinito mondo della fisica riuscendo a trasmetterci l’entusiasmo e la passione per questa materia .