Il microfascio esterno di protoni
all'acceleratore di Firenze:
set-up e applicazioni
Lorenzo Giuntini
Dipartimento di Fisica dell’Università
e
Sezione INFN Firenze, Italy
Incontri di Fisica delle Alte Energie, IFAE, Pavia, 19-21 Aprile 2006
Facility di microfascio
...un
microscopio elettronico nel quale si usano protoni
come proiettili (sonde)
in entrambi si determina la composizione del campione
in esame per mezzo della radiazione X emessa

con
entrambi si ottengono mappe X-Y di distribuzione
degli elementi presenti
Microscopio a protoni
– Analisi in tracce (tra ppm e decine di ppm) grazie alle
altissime sezioni d’urto, sino a migliaia di barn
– Spessore analizzabile di decine di micron
– Può lavorare in vuoto e in fascio esterno
Microscopio a protoni con
fascio esterno
risoluzione spaziale molto buona (<10 mm)
elimina i problemi delle analisi in vuoto:
 campioni di dimensioni qualunque
 nessun prelievo
 l’atmosfera limita molto il riscaldamento

“
“
“
l’evaporazione

“
“
“
la carica del campione
Facility di microfascio esterno di
Firenze
Pre-requisiti:
1.
Sorgente di protoni (decine di mA)
2.
Acceleratore di particelle (MeV)
3.
Sistemi di trasporto del fascio sino al canale
di microfascio
acceleratore Tandem del laboratorio Labec di Firenze
1 - sorgente e trasporto a bassa energia
2 – accelerazione
Argon stripper
3 - trasporto del fascio al canale di microfascio
sala dell’acceleratore (sorgenti)
acceleratore Tandem
(moltiplicatore tensione)
Facility di microfascio esterno di
Firenze
10 mm di fascio esterno su bersaglio;
cosa serve?
4.
5.
6.
7.
Ottica di focheggiamento forte QD (distante
dalle OS)
Object slits OS per regolare le dimensioni del
fascio in ingresso
Estrazione del fascio in esterno (fuori dal
vuoto)
Scansione
linea di microfascio
OS
QD
la lente
Bobine
scansione
Quadrupole
Doublet QD
microfascio “esterno” : finestre
finestre Si3N4 100 nm thick
- 0.5 x 0.5 mm2 wide
- 1.0 x 1.0 mm2 wide
0.5 mm
finestra montata su nasino
di uscita del fascio
Microfascio esterno I
•percorso esterno il
più corto possibile,
2 mm nel nostro
set-up
•in elio
Microfascio esterno II
atmosfera di He tra
bersaglio e finestra di
uscita del fascio
Cosa abbiamo ottenuto:
Demagnification factors (Dx,; Dy)
Object slit aperture (mm)
Collimation slit aperture (mm)
8; 45
60 × 300
2×2
FWHM (mm) (vacuum)
7.5 × 7
FWHM (mm) (helium)
9×8
FWHM (mm) (air)
15 × 15
Per finire:
8. Rivelazione
9. Visualizzazione
10. Acquisizione (riorganizzazione dati)
il set-up di rivelazione
•2 rivelatori
X per PIXE
•rivelatore
particelle per
BS
•rivelatore X
per misura
corrente
•rivelatore g
per PIGE
•allo studio
rivelatore
particelle in
avanti
set-up di
rivelazione:
close-up
per ogni segnale dal rivelatore si acquisiscono :
•energia E del raggio X rivelato
•posizione (x, y) del fascio
Cu
Si
10000
Cu
Ti
K
Zn
conteggi
Counts
500 mm
1000
100
10
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
energia
(keV)
Energy
(keV)
Max.
Si
Cu
Min.
microelettronica
scopo della misura: rivelare contaminanti nelle piste degli adattatori di
passo di CMS
Lato fan-out
160 mm
80 mm
–strato di pochi
mm di Al su sottile
30 mm
strato di Cr (~100 nm)
130 mm
–allargamento (pad)
10 mm
alle estremità delle
14 mm
piste per le saldature
340 mm
250 mm
Lato fan-in
44 mm
50 mm
scansione integrata: 4 scansioni magnetiche di 360x360 mm2 su
entrambi i lati dell’adattatore, sovrapposte di 60 mm le une alle altre
Ba L Cu K
Ca K Cr K
100000
BIG
Sr K
La contaminazione
conteggi
10000
1000
Sb K
mappa del rame
Ba K
100
10
1
0
5
10
15
20
energia (keV)
25
30
35
Immagine ottica
LATO FAN-OUT
660 mm
Cu
Come si vede...
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)
Rogier Van der Weyden
S. Luca che ritrae la Vergine
(dettaglio)
Boston, Museum of Fine Arts
Stilo d’argento
(Hannover, Landesmuseum)
Paolo Uccello
Pisanello
PROFILO DI DONNA
Parigi, Louvre
Punta metallica su carta preparata
STUDIO DI CAVALIERE
Uffizi, Gabinetto Disegni e Stampe
Punta metallica, carta preparata a
bianco di piombo e terra verde
Leonardo da Vinci
STUDIO DI DRAPPEGGIO
Roma, Istituto Nazionale per la
Grafica
punta metallica + bianco di piombo su
carta preparata
Analisi di disegni a punta metallica
Analisi per scopi conservativi: sono opere molto delicate e preziose,
fino ad ora studiate poco e solo dal punto di vista storico artistico
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
Necessità di tecnica di “imaging”,
con risoluzione delle decine dei
micron e assolutamente non
distruttiva
1 mm
Test su campioni preparati in laboratorio
Carta preparata con cinabro (HgS) e bianco di piombo
Stilo di Pb
2 mm
Mappa Pb
Analisi di inchiostri metallo-gallici (I)
1 mm
Mappa
Cu
Mappa
Fe
1 cm
Analisi di inchiostri metallo-gallici (II)
Fotografia
Mappa Cu
(ottenuta con
protoni da 3 MeV)
Fotografia con
retroilluminazione
Analisi di inchiostri metallo-gallici (III)
Fotografia
Mappa Fe
Fotografia con
retroilluminazione
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 “replaying” 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)