SUVRAD: SUVRAD: Synchrotron UltraViolet Synchrotron UltraViolet

Radiation facility At DARadiation facility At DANENE

Emanuele PaceEmanuele Pace

Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Università di FirenzeUniversità di Firenze

INFN, Sezione di FirenzeINFN, Sezione di Firenze

Beamlines @ DABeamlines @ DANENE

La Synchrotron Radiation facility ai Laboratori Nazionali La Synchrotron Radiation facility ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN utilizza l’intensa emissione di fotoni di Frascati dell’INFN utilizza l’intensa emissione di fotoni di DAdi DANE, l’anello di accumulazione da 0.51 GeV nel NE, l’anello di accumulazione da 0.51 GeV nel quale circola una corrente di elettroni superiore ad 1 A.quale circola una corrente di elettroni superiore ad 1 A.

3 beamlines sono operative:3 beamlines sono operative:

La La Synchrotron INfrared Beamline At DASynchrotron INfrared Beamline At DANE NE (SINBAD) che (SINBAD) che copre l’intera regione dell’IR; copre l’intera regione dell’IR;

La beamline nel soft X-ray che opera con un monocromatore a La beamline nel soft X-ray che opera con un monocromatore a doppio cristallo e ad uscita fissa e lavora nel range 2 – 4 keV di doppio cristallo e ad uscita fissa e lavora nel range 2 – 4 keV di energie che può essere esteso fino a 5 keV.energie che può essere esteso fino a 5 keV.

Una stazione UV alla wiggler branch line utilizzata attualmente Una stazione UV alla wiggler branch line utilizzata attualmente dal dal Solar Ultraviolet ExperimentSolar Ultraviolet Experiment (SUE), un esperimento di (SUE), un esperimento di fotobiologia finanziato dalla commissione 5 dell’INFN.fotobiologia finanziato dalla commissione 5 dell’INFN.

DADANE Spectral rangeNE Spectral range

X-U

V b

eam

lines

X-U

V b

eam

lines

UV facility

X-ray facility

IR f

acili

ty

UV facility attualeUV facility attuale

Canale DXR-2Canale DXR-2 esposizioni esposizioni

calibrate e calibrate e omogenee entro il omogenee entro il 10% 10%

area area ~~ 13 mm 13 mm 1.55 – 1000 eV1.55 – 1000 eV Finestra d’uscita di Finestra d’uscita di

zaffiro zaffiro 38 mm 38 mm

Esperimento SUE

Caratteristiche operativeCaratteristiche operative

Flusso di fotoni noto e riproducibile Flusso di fotoni noto e riproducibile Flusso di fotoni tra 2 e 200 eV indipendente dall’energia (EFlusso di fotoni tra 2 e 200 eV indipendente dall’energia (Ecc =311 eV) =311 eV) Impulsi ultraveloci e frequenti (0.3 ns, 1GHz)Impulsi ultraveloci e frequenti (0.3 ns, 1GHz) Radiazione emessa su un ampio continuo (1-5000 eV)Radiazione emessa su un ampio continuo (1-5000 eV) Dimensioni trasversali dello spot grandi (Dimensioni trasversali dello spot grandi (~ mm)~ mm)

ParassitaggioParassitaggio Difficoltà a pianificare una strategia di acquisizioneDifficoltà a pianificare una strategia di acquisizione Difficoltà di controllo (meno critico nell’UV)Difficoltà di controllo (meno critico nell’UV)

Beam position shiftsBeam position shifts Corrente di elettroniCorrente di elettroni Vita media del fascioVita media del fascio Riallineamento delle otticheRiallineamento delle ottiche Variazioni dei parametri del fascio: brillanza e dimensioniVariazioni dei parametri del fascio: brillanza e dimensioni

Range di energia dei fotoni limitato al soft-XRange di energia dei fotoni limitato al soft-X

PropostaProposta Progetto di una Test Facility che sfrutti la luce di sincrotrone

disponibile a DAFNE-L per test e misure di caratterizzazione di sistemi ottici e di rivelatori nella regione VIS-UV-VUV da 2 a 40 eV (30-600 nm) estendibile a 200 eV (6 nm).

Utilizzo dal 2006 della branch line dedicata a SUE con il solo intervento di modifica e upgrade del sistema ottico esterno alla beamline

Questa regione di basse energie permette di verificare e calibrare la qualità ottica di componenti e strumenti, i rivelatori singoli e gli apparati di rivelazione che poi andranno inseriti nei vari esperimenti. Obiettivo finale è anche testare sistemi ottici di grandi dimensioni

La facility integrata tra quelle già esistenti, che coprono gli intervalli dell’infrarosso, medio e vicino, del visibile e del soft-X, di fatto diventa una struttura strategica negli interessi dell’INFN e di altre agenzie, in particolare le spaziali

Sfruttando questa complementarietà, si otterrebbe una facility unica, a larghissimo spettro e soprattutto con notevoli ritorni scientifici a costi molto contenuti.

MotivazioniMotivazioniMolti esperimenti attuali utilizzano la radiazione UV per rivelare indirettamente Molti esperimenti attuali utilizzano la radiazione UV per rivelare indirettamente particelle, raggi cosmici e raggi gamma utilizzando luce di fluorescenza e particelle, raggi cosmici e raggi gamma utilizzando luce di fluorescenza e Cherenkov. L’UV e il Vacuum UV sono regioni di estremo interesse anche per Cherenkov. L’UV e il Vacuum UV sono regioni di estremo interesse anche per esperimenti spaziali dedicati all’astronomia.esperimenti spaziali dedicati all’astronomia.

Esperimenti di particelleEsperimenti di particelle Esperimenti di astro-particelleEsperimenti di astro-particelle Esperimenti di astronomiaEsperimenti di astronomia Esperimenti spazialiEsperimenti spaziali

Raggi CosmiciRaggi Cosmici AstronomiaAstronomia Osservazione della TerraOsservazione della Terra

Esperimenti di astro-biologia e biologiaEsperimenti di astro-biologia e biologia Tecnologie otticheTecnologie ottiche Tecnologie dei rivelatoriTecnologie dei rivelatori Test e calibrazione strumentiTest e calibrazione strumenti Misure sui materiali (elettro-ottiche, spettrofotometria, microscopia, ecc.)Misure sui materiali (elettro-ottiche, spettrofotometria, microscopia, ecc.)

Esperimenti a terra e spazialiEsperimenti a terra e spaziali

TecnologieTecnologie

Esperimenti esplorativiEsperimenti esplorativi

Technical reports:

1. E. Burattini, A. De Sio, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Caratterizzazione di un fotoconduttore basato su singolo cristallo di diamante 1b mediante luce di sincrotrone, LNF-04/030 del 22-12-2004

2. E. Burattini, A. De Sio, L. Gambicorti, F. Malvezzi, A. Marcelli, F. Monti, E. Pace, Filtro vetroso per eliminare effetti del secondo ordine in misure spettrali UV, in preparation

Caratteristiche della sorgenteCaratteristiche della sorgente

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Sych

rotr

on

Cu

rre

nt

(mA

)

Time (s)

Inorm = 750 mA

UV photodetectors a diamanteUV photodetectors a diamante

Diamond layer

Interdigitated electrodes

Matrici di pixelsMatrici di pixels

Rivelatori UV utilizzatoRivelatori UV utilizzato Singolo cristallo di diamante 1b Dimensioni: 4 x 4 x 0.3 mm3 Contatti elettrici planari interdigitati in oro Area: 2.5 x 2.5 mm2 Distanza tra i contatti: 20 µm

hνGeometria coplanare

Efficienza quanticaEfficienza quanticaBias = 10 V (0.5 V/µm)

Inorm = 750 mA

Linearità ed efficienza quanticaLinearità ed efficienza quantica

LinearitàLinearità

L(%)=100 [1 - (PC F⋅ m)/(PCm F)] ⋅

Stima dell’efficienza quanticaStima dell’efficienza quanticaPC = PCPC = PCoo + A + A F = PC F = PCoo + + q (A q (Add /A /Ass) F) F

(A(Add /A /Ass) ) 0.5 0.5

@ 210 nm@ 210 nm AA = 6.513 = 6.513 10 10-22-22 = 0.00813 = 0.00813

misura diretta:misura diretta: = 0.00863 = 0.00863 6% 6%

@ 400 nm @ 400 nm AA = 1.084 = 1.084 10 10-22-22

= 0.00135= 0.00135misura diretta: misura diretta: = 0.00129 = 0.00129

4.5% 4.5%

Questo confronto fornisce anche una conferma indiretta della bontà Questo confronto fornisce anche una conferma indiretta della bontà dell’ipotesi iniziale di linearità di dell’ipotesi iniziale di linearità di F(IF(Isincsinc) ) a tutte le lunghezza d’onda. a tutte le lunghezza d’onda.

SpettrofotometriaSpettrofotometria

Wavelength (nm)

Tra

smitt

ance

(%

)

Filtro passa-altoFiltro passa-alto

Rimozione delle armonicheRimozione delle armoniche

Spectral range: 2 - 41 eV (30.2 - 620 nm)

Acton-----------------------------

Mod. VM-521Normal incidencein-out slit angle = 15 degspectral range: 30-325 nmf = 1mf# = 10.4spectral resolution = 0.014 nmdispersion = 0.83 nm/mm

McPherson-----------------------------

Mod. 225Normal incidencein-out slit angle = 15 degspectral range: 30-300 nmf = 1mf# = 10.4spectral resolution = 0.015 nmdispersion = 0.83 nm/mm

Mod. 231Seya Namiokain-out slit angle = 70.25 degspectral range: 30-300 nmf = 1mf# = 23spectral resolution = 0.025 nmdispersion = 0.83 nm/mm

For a grating: 1200 g/mm

Configurazioni otticheConfigurazioni ottiche

Model 225 Model 231 Model VM-521

McPherson-----------------------------

Mod. 225Normal incidencein-out slit angle = 15 degspectral range: 30-600 nmf = 1mf# = 10.4spectral resolution = 0.015 nmdispersion = 0.83 nm/mm

McPherson-----------------------------

Mod. 231Seya Namiokain-out slit angle = 70.25 degspectral range: 30-300 nmf = 1mf# = 23spectral resolution = 0.025 nmdispersion = 0.83 nm/mm

Acton-----------------------------

Mod. VM-521Normal incidencein-out slit angle = 15 degspectral range: 30-625 nmf = 1mf# = 10.4spectral resolution = 0.014 nmdispersion = 0.83 nm/mm

McPherson-----------------------------

Mod. 248/310GGrazing incidencein-out slit angle = 176 to 157 deg (Variable Angle of Incidence) spectral range: 1-35 nmf= 1mf# = 44spectral resolution = 0.018 nmdispersion = 0.05 to 0.27 nm/mm

For a grating: 1200 g/mm

Spectral range: up to 1 keV (down to 1.24 nm)

Grazing incidence required

Utilizzo della facilityUtilizzo della facility Test di rivelatori e materiali per ottica e rivelazione di fotoniTest di rivelatori e materiali per ottica e rivelazione di fotoni

Misure di spettrofotometriaMisure di spettrofotometria

Misure di polarimetria UV e VUVMisure di polarimetria UV e VUV

Calibrazione assoluta di rivelatoriCalibrazione assoluta di rivelatori

Misure finalizzate ad esperimenti su meteoriti, micrometeoriti, e Misure finalizzate ad esperimenti su meteoriti, micrometeoriti, e astrobiologiaastrobiologia

Misure su rivelatori a diamante, SiC e silicio realizzati e/o studiati a FirenzeMisure su rivelatori a diamante, SiC e silicio realizzati e/o studiati a Firenze

Misure di caratterizzazione di PMT e adattatori otticiMisure di caratterizzazione di PMT e adattatori ottici

Realizzazione di rivelatori a matrice con ricadute tecnologiche anche negli Realizzazione di rivelatori a matrice con ricadute tecnologiche anche negli altri intervalli spettralialtri intervalli spettrali

Progetti europei IRSRI, HEAPNETProgetti europei IRSRI, HEAPNET

Progetto ESA tecnologico ALSOProgetto ESA tecnologico ALSO

Progetti spaziali EUSO, SCORE/HERSCHEL e Solar OrbiterProgetti spaziali EUSO, SCORE/HERSCHEL e Solar Orbiter

Pro

spet

tive

a br

eve

term

ine

Pro

spet

tive

a br

eve

term

ine

UV facility

X-ray facility

IR f

acili

ty

Large beamline facility *

Collaborazione e man powerCollaborazione e man powerAl progetto collaborano:Al progetto collaborano:

INFN – LNFINFN – LNF INFN – FIINFN – FI DASS – Università di FirenzeDASS – Università di Firenze Istituto Nazionale Ottica ApplicataIstituto Nazionale Ottica Applicata Dip. di Informatica – Università di Verona

Il personale previsto è di 12 ricercatori e 2 tecnici Il personale previsto è di 12 ricercatori e 2 tecnici oltre al personale dei LNF che lavorerà al progettooltre al personale dei LNF che lavorerà al progetto

Richiesta minima di 1 ricercatore/tecnologo full-time Richiesta minima di 1 ricercatore/tecnologo full-time dedicato per 2006-07dedicato per 2006-07

Laboratori di supportoLaboratori di supporto XUVLab -DASS XUVLab -DASS INOAINOA INFNINFN

Progettazione otticaProgettazione otticaINFN-B2: Transmittance

Wavelength

Tra

nsm

ittan

ce (

%)

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 7000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Progettazione meccanicaProgettazione meccanica

Bulk head

Tempi previstiTempi previsti

Schedule di massima: Schedule di massima: 20052005: completamento delle misure preliminari : completamento delle misure preliminari

e studio del sistema otticoe studio del sistema ottico 20062006: costruzione dell’apparato e test di : costruzione dell’apparato e test di

qualifica e eventuali primi esperimentiqualifica e eventuali primi esperimenti 20072007: beamline operativa per misure di test e : beamline operativa per misure di test e

qualifica e per misure spettro-fotometriche nel qualifica e per misure spettro-fotometriche nel VIS-UV-VUV VIS-UV-VUV

Costi previstiCosti previstiLa previsione di spesa copre la realizzazione della facility e i test di La previsione di spesa copre la realizzazione della facility e i test di qualifica. I dettagli di costo comprendono:qualifica. I dettagli di costo comprendono:

Progettazione ottica, elettronica e meccanica Progettazione ottica, elettronica e meccanica Upgrade del setup esistenteUpgrade del setup esistente Monocromatore UV-VIS e camera di misura in HVMonocromatore UV-VIS e camera di misura in HV Test e verifica strumenti otticiTest e verifica strumenti ottici Strumenti, ottiche e materiali accessoriStrumenti, ottiche e materiali accessori Interfaccia elettronica di controllo del sistema, di acquisizione Interfaccia elettronica di controllo del sistema, di acquisizione

e memorizzazione dei datie memorizzazione dei dati Installazione, allineamento e commissioning a DAInstallazione, allineamento e commissioning a DANENE Strumenti di supporto ai test di qualificaStrumenti di supporto ai test di qualifica ContingencyContingency Gestione e funzionamentoGestione e funzionamento

ConclusioniConclusioni Un ampio gruppo di Istituti con capofila due sezioni INFN propongono un Un ampio gruppo di Istituti con capofila due sezioni INFN propongono un

progetto di riqualificazione della branch line UV perché interessati all’uso progetto di riqualificazione della branch line UV perché interessati all’uso della radiazione di sincrotrone per attività di test e calibrazione di sistemi ottici della radiazione di sincrotrone per attività di test e calibrazione di sistemi ottici e rivelatori nonché per attività scientifica di analisi di materiali organici e e rivelatori nonché per attività scientifica di analisi di materiali organici e inorganiciinorganici

Le caratteristiche di DALe caratteristiche di DANE-L, pur essendo legate ad una macchina non NE-L, pur essendo legate ad una macchina non dedicata alla luce di sincrotrone, ne permettono lo sfruttamento per le misure dedicata alla luce di sincrotrone, ne permettono lo sfruttamento per le misure d’interesse, in particolare nella regione UV-VUV (cutoff energy 311 eV) d’interesse, in particolare nella regione UV-VUV (cutoff energy 311 eV)

Misure preliminari di valutazione delle potenzialità della branch line come Misure preliminari di valutazione delle potenzialità della branch line come stazione di test e calibrazione hanno dimostrato con risultati soddisfacenti stazione di test e calibrazione hanno dimostrato con risultati soddisfacenti che l’attività proposta è fattibile che l’attività proposta è fattibile

Il parassitaggio si è dimostrato paradossalmente un vantaggio per questo tipo Il parassitaggio si è dimostrato paradossalmente un vantaggio per questo tipo di misure a causa dell’equivalenza tra tempo di setup (fuori run) e tempo di di misure a causa dell’equivalenza tra tempo di setup (fuori run) e tempo di misura (durante il run) che nelle facility tradizionali è un problema.misura (durante il run) che nelle facility tradizionali è un problema.

Il programma per la realizzazione del progetto termina nel 2006 e offre un Il programma per la realizzazione del progetto termina nel 2006 e offre un rapporto potenzialità/costi molto elevato, grazie all’expertise disponibile e al rapporto potenzialità/costi molto elevato, grazie all’expertise disponibile e al costo contenuto, e pensando alle immediate ricadute di una facility costo contenuto, e pensando alle immediate ricadute di una facility considerata nel suo insieme: dal medio IR al soft-Xconsiderata nel suo insieme: dal medio IR al soft-X

Il gruppo proponente offre personale, know-how e strutture a sostegno di tale Il gruppo proponente offre personale, know-how e strutture a sostegno di tale collaborazione non solo in fase di realizzazione della facility, ma anche per la collaborazione non solo in fase di realizzazione della facility, ma anche per la fase operativa seguente fase operativa seguente