Silicon Drift Detector
per la rivelazione di raggi X
Stage
invernale
2006
Stagisti:
Corinne Cinelli
Chiara Gargiulo
Giorgia Leoncini
Edoardo Mazzucchi
M Cristina Raspone
Stefania Romani
Tutors:
22/02/06-11/05/06
Marco Catitti
Florin Sirghi
Diana Sirghi
Massimiliano Bazzi
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 X
I 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
100eV<E<1000Kev
λ -Lunghezza d’onda (m)
ν- Frequenza (Hz)
c – velocità della luce (m/s)
Produzione di raggi X
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)
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.
99,9% calore
0,1%
Applicazioni di raggi X
Tecniche diagnostiche e
terapeutiche
Industria
metallurgica
Autenticita’ e ricerca di metodi di
restauro delle opere d’arte
Rivelatori al silicio
1 -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=0K
T>0K
DROGAGGIO
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 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)
Giunzione P-N
Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P
All’equilibrio si forma
una regione di carica
spaziale
V=Ne*Qe/Co
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
L’esperimento DEAR
(Dafne Exotic Atoms Research)
Rivelatore al silicio
L’esperimento DEAR
(Dafne Exotic Atoms Research)
Dear e’ un esperimento che studia
l’atomo esotico in DAFNE
L’atomo esotico ha al posto dell’elettrone un particella chiamata KAONE
Idrogeno
Idrogeno Kaonico
L’Atomo esotico
Il 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 2P1S di K pari a 6,2 Kev
cioè radiazioni nello spettro dei raggi X
Nasce la necessità di usare rivelatori al
silicio sensibili a raggi X
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 “rumore di fondo” puo’essere di due tipi:
- SINCRONO, legato all’evento stesso;
- ASINCRONO, legato a sorgenti esterne.
Il TRIGGER limita il tempo di
acquisizione ad una finestra
temporale prefissata diminuendo il
rumore di fondo.
Da DEAR al nuovo esperimento SIDDHARTA
(Silicon drift detector for Hadronic by timing
application)
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
Per questo motivo nasce l’esperimento SIDDHARTA che utilizza SDD (Silicon
Drift Detector) che sono rivelatori ad alta velocità
CCD
SDD
ANALISI DATI
RIVELATO
RE
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
ANALISI
DATI
LA NOSTRA ESPERIENZA DI ANALISI DATI
Il rivelatore fornisce il numero di eventi in relazione ai canali, per determinare il
valore energetico del canale dobbiamo effettuare una calibrazione.
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.
eventi
eventi
B
Mn K
25000
Data: Data1_eventi
Model: Gauss
Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)
Weighting:
y
No weighting
25000
Chi^2/DoF
= 91725.87029
R^2
= 0.99862
y0
xc
w
A
244.73514
1156.57522
24.08245
681094.40052
15000
10000
15000
10000
5000
5000
0
1100
20000
±59.95515
±0.04947
±0.13338
±4526.16831
Eventi
Eventi
20000
0
1120
1140
1160
Canale
1180
1200
0
500
1000
Canali
1500
2000
La distribuzione di GAUSS
La forma del picco puo essere caratterizzata da una distribuzione di Gauss.

= valore medio (la
posizione del picco)

= deviazione standard

= larghezza a meta altezza (fullwidth at half maximum:FWHM)
  2.354  
 = la RISOLUZIONE del rivelatore
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 tensione elettrica (Volt)
V= R x I
Resistenze in serie
Resistenze in parallelo
I corrente elettrica (Ampere)
R resistenza elettrica (Ohm)
Metodo voltamperometrico
Y = A*X+B (B = 0) ; V = R*I
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.
XV
YI
I = (1/R) *V
R = 1/A
Misura del guadagno di un amplificatore
R1 = 1.2 K
R2 = 1.2 K
A = 1 + (1.2/1.2)  A = 2
 Vu = 2* Vi
Conclusioni
L’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 .