Tesi di laurea
Esplorazione di oggetti nel sistema solare mediante
emissione di raggi X: sviluppo di strumenti di
simulazione fisica e applicazione alla missione Bepi
Colombo su Mercurio
Candidato: Elena Guardincerri
Relatore: Dr. M.G.Pia
Correlatore: Dr. M. Pallavicini
Introduzione
Lavoro di tesi svolto
nell’ambito e della missione spaziale Bepi Colombo su Mercurio (HERMES)
in collaborazione con la Science Payload Technology Division dell’ESA
Scopo dell’attività:
• Realizzazione e validazione degli strumenti necessari per la simulazione di
HERMES per ottimizzazione del rivelatore e della misura
• Costruzione del primo nucleo di quella che sarà la simulazione dell’esperimento
Contenuto della tesi
1.
Introduzione all’esperimento, alla misura, agli strumenti utilizzati
2.
Descrizione dell’attività svolta:
•
Sviluppo e test del package per la deeccitazione atomica in Geant4
•
Sviluppo di un’applicazione per la simulazione di un test su fascio e
confronto dei risultati da essa prodotti con dati sperimentali
•
Primo approccio al problema della modellizzazione dell’ambiente di
radiazione di Mercurio
Il pianeta Mercurio
Distanza dal Sole: 0.38 AU
Raggio medio: 2400 km (0.4 RE)
Volume: 0.054 VE
Periodo di rotazione: 58.6 giorni
Temperatura superficiale media: 440 K
Irraggiamento solare: 14490 W/m2
Solamente la sonda Mariner 10
è passata in prossimità del
pianeta nel 1974-1975
Mercurio è il più piccolo e
denso tra i pianeti terrestri
Ha un debole campo magnetico
e ai suoi poli potrebbero
trovarsi calotte ghiacciate
Le domande aperte
•Cosa c’è sull’emisfero nascosto di Mercurio?
•Quale è stata l’evoluzione geologica del pianeta?
•Qual è la composizione chimica della sua superficie?
•Perché la densità di Mercurio è così elevata?
•Qual è la struttura interna di Mercurio?
•C’è un nucleo esterno liquido?
•Qual è l’origine del campo magnetico?
•Come interagisce il campo magnetico planetario con
il vento solare in assenza di una ionosfera?
•E’ presente ghiaccio d’acqua ai poli?
•Quali sostanze volatili compongono l’esosfera?
•Quali nuovi vincoli si possono porre sulla teoria della
relatività generale?
La missione Bepi Colombo
Proposta nel 1993 è classificata
come “Cornerstone Mission”
Missione scientifica multi-disciplinare
Velivolo composto di 3 moduli per
la strumentazione scientifica più
due per la propulsione:
• Mercury Planetary Orbiter
• Mercury Magnetospheric Orbiter
• Mercury Surface Element
• Modulo a propulsione chimica
• Modulo a propulsione solare
Partenza prevista tra il 2007 e il 2012 secondo il tipo di lancio:
• Lancio singolo con modulo a propulsione chimica
• Lancio singolo con modulo a propulsione solare
• Lancio doppio con modulo a propulsione solare
Durante la crociera si sfrutterà il campo gravitazionale di Venere
L’esperimento HERMES
Scopo: determinazione della composizione chimica della superficie
di Mercurio mediante spettroscopia a raggi X
Obiettivo ultimo: discriminazioni tra le differenti teorie
sull’origine del pianeta
Strumenti: Spettrometro a raggi X + monitor per la radiazione
solare diretta
Entro fine anno sarà effettuata la scelta dei rivelatori tra quelli
proposti da gruppi diversi
Questo lavoro di tesi supporta l’attività della Science Payload
Technology Division dell’ESA che studia rivelatori a semiconduttori
composti
Interesse per applicazione ad altre missioni di esplorazione del
sistema solare (asteroidi, lune)
Semiconduttori composti
Capacità di operare a temperature
ambiente
Risoluzione in energia prossima al
Fattore di Fano
Elevato stopping power per i raggi X
Intrinsecamente resistenti al danno
da radiazione
Abbisognano di poca potenza
Le teorie sull’origine di Mercurio
Due questioni aperte:
• La densità della nebulosa solare durante la
Mercurio
Marte
Asteroidi
formazione dei pianeti è bassa in corrispondenza
dell’attuale orbita di Mercurio
• La densità incompressa di Mercurio (5.3 g/cm3)
è superiore a quella degli altri pianeti terrestri
Il rapporto tra le quantità di ferro e di silicati è, nel caso di Mercurio,
estremamente alto, pur essendo il pianeta povero in ferro
Sono state proposte diverse teorie per spiegare l’origine di Mercurio ed ognuna
prevede una diversa composizione chimica per la sua superficie
La fluorescenza
Una particella o un fotone incide su di un
atomo
Per effetto fotoelettrico o ionizzazione
vengono scalzati uno o più elettroni: nei livelli
dell’atomo si generano alcune vacanze
Gli elettroni nei livelli occupati compiono
transizioni verso quelli vuoti: perché l’energia
risulti conservata viene emesso un fotone X
L’energia del fotone emesso è caratteristica
dell’elemento
Il toolkit di simulazione Geant4
Geant4 è un toolkit per la simulazione
del passaggio delle particelle attraverso
la materia.
E’ dotato delle funzionalità necessarie
per la simulazione del comportamento
di un rivelatore:
•
•
•
•
•
•
•
•
Geometria
Tracciamento
Risposta del Rivelatore
Run
Event
Particle and Track management
Visualizzazione e
Interfaccia Utente (UI).
Consente di scendere anche a basse
energie (250 eV)
fluorescenza
Estensioni a basse energie
Necessità di riprodurre emissioni di
fluorescenza a basse energie (C,N,O)
Raggi cosmici
Elettroni gioviani
Geant4 è l’unico sistema Monte Carlo che
consente di scendere fino a 250 eV
Raggi X solari, e, p
Emissioni X indotte per la
determinazione della
composizione superficiale
(fino a profondità ~100 mm)
Applicazioni astrofisiche:
Studio mediante raggi X di pianeti,
asteroidi e lune
Altre applicazioni:
Esperimenti di astroparticelle “underground”
Fisica Medica
Geant3.21
ITS3.0, EGS4
Geant4
Incluse linee di emissione C,N,O
La diseccitazione atomica in Geant4
Il package per la generazione di fluorescenza si trova all’interno della
categoria Low Energy Electromagnetic Physics di Geant4, che gestisce i
processi elettromagnetici a basse energie
Esso simula il processo di deeccitazione di un atomo ionizzato in seguito a:
• Effetto fotoelettrico
• Ionizzazione indotta da elettroni
• Ionizzazione indotta da adroni o ioni
Il package per la diseccitazione atomica
Dati utilizzati provenienti dalla libreria
di Livermore EADL (Evaluated Atomic
Data Library)
Operazioni effettuate:
• Lettura dei dati
•Organizzazione e gestione dei dati
•Selezione del tipo di transizione
atomica da effettuare e dei livelli
energetici coinvolti
•Generazione dei fotoni di fluorescenza
Procedimento ripetuto finchè l’atomo è
in grado di generare fotoni con energia
superiore a una determinata soglia
Fotoni passati ai processi responsabili
della ionizzazione dell’atomo cui compete
la generazione dello stato finale
Contributo a OOAD
sviluppo
unit tests
test di accettazione
Tecniche e metodologie adottate
Uso di tecniche avanzate di software:
tecnologie Orientate all’Oggetto
(OOAD, OOP, applicazione di design patterns)
 apertura all’estensione, modularità, mantenibilità importanti per missione
su lunga scala temporale
 massimizzazione del riuso del software: componenti sviluppate per test su
fascio e riutilizzabili per la missione
Uso di metodologie avanzate di software:
adozione di Processo di Software
(processo iterativo e incrementale basato su Unified Software Development
Process, seguendo lo standard ISO 15504)
 ottimizzazione della qualità del software, critica per una missione spaziale
 ottimizzazione dell’efficienza di produzione del software nei tempi stretti
della preparazione per l’Announcement of Opportunities
Test su fascio
Irraggiati campioni di diversi
Materiali puri presso
l’acceleratore di Bessy II
HP(Ge)
Apertura di 1.4 mm di diametro
Fascio
di fotoni
monoenergetico
Rivelatore di
germanio
67 mm
40 mm
Fascio di raggi X incidente
perpendicolarmente sul campione
Ricavati
spettri di
fluorescenza
di:
• rame
• ferro
• alluminio
45°
40 mm
Campioni di 25 mm
di diametro
Sostegno con
3 campioni
• silicio
• titanio
• acciaio inossidabile
Simulazione
L’applicazione di simulazione riproduce la
configurazione sperimentale del test su fascio
campione
rivelatore
diaframma
Fascio incidente
Attraverso il confronto dei risultati sperimentali
Con quelli prodotti dall’applicazione si vuole:
• Verificare il corretto funzionamento del toolkit
Geant4 in generale, e in particolare dei processi
fisici di interesse per la missione
• Caratterizzare la risposta del rivelatore
utilizzato per il test, allo scopo di riprodurre nella
simulazione gli effetti da esso introdotti nella
realizzazione degli spettri
Principali caratteristiche:
• Possibilità di modificare interattivamente geometrie e materiali
• Caratterizzazione del rivelatore in termini di efficienza e funzione risposta
• Possibilità di ricavare istogrammi delle quantità fisiche che interessano
Il sistema di simulazione è realizzato, mediante l’uso di tecnologie Orientate all’Oggetto,
in modo da poter essere facilmente modificato ed esteso: esso costituisce il nucleo di
quella che sarà l’applicazione di simulazione per l’esperimento HERMES
Validazione del modello fisico:
Risultati
Irraggiamento di un campione di ferro
con un fascio di fotoni di 8 keV
transizione K
Evidenti le righe spettrali principali
Posizione delle righe ed altezze relative in
accordo con le tabelle di riferimento
transizione K
Correttezza dei risultati
dal punto di vista fisico
Transizione
Probabilità
di transizione
Energia di
transizione(eV)
K L2
1.01391 -1
6349.85
K L3
1.98621 -1
6362.71
K M2
1.22111 -2
7015.36
K M3
2.40042 -2
7016.95
L2 M1
4.03768 -3
632.540
L2 M4
1.40199 -3
720.640
L3 M1
3.75953 -3
619.680
L3 M5
1.28521 -3
707.950
Validazione del modello di rivelatore:
Si è eseguito il fit dei
picchi principali degli
spettri ottenuti
I picchi sono stati
approssimati con
funzioni gaussiane di
cui si sono ottenute
media e varianza
Confronto
media
Errore percentuale
sui valori medi
<1%
varianza
Errore percentuale
sulle varianze
< 10 %
dati sperimentali
dati da simulazione
dati sperimentali
dati da simulazione
L’applicazione di
simulazione fornisce
risultati consistenti
con quelli
sperimentali
errori percentuali
Può essere
ragionevolmente
utilizzata per
predire le capacità
di misura del
rivelatore nel
contesto della
missione spaziale
errori percentuali

L’ambiente di radiazione di Mercurio
mancanza di dati sperimentali
modelli ottenuti estrapolando dati relativi a 1 AU
alta variabilità dell’attività solare
incertezza
Principali contributi:
• Fotoni solari
• Protoni solari
• Elettroni solari
• Raggi X e  di provenienza cosmica
• Protoni e particelle  di provenienza
cosmica
In questo lavoro si è considerato
preliminarmente il contributo
dovuto ai fotoni
L’utilizzo dei modelli
• Fotoni solari: spettri di energia relativi ad 1 AU tabulati da 1 keV a 10 keV
interpolazione secondo:
log IE  
log I1 log E 2 E   log I 2 log E E1 
log E 2 E1 
estrapolazione, tra 0 e 1 keV, con
funzione costante e funzione
esponenziale
• Fotoni cosmici: spettro di
energia espresso mediante formula
analitica da 1 keV a 1 GeV
Risultati
Irraggiamento di un campione di basalto con fotoni solari e cosmici:
• simulazione di diversi livelli di attività solare
• utilizzo di estrapolazioni diverse nell’intervallo [0 keV, 1 keV]
• riproduzione degli spettri di fluorescenza relativi ad 1 min di irraggiamento ad 1 AU
O
Mg Al
Si
Ca
• attualmente visibili solo gli elementi più leggeri
(energia della transizione K dell’ossigeno: 0.52 keV)
• contributo dei fotoni cosmici trascurabile
Conclusioni
Modellizzazione
della Fisica
Package per la
generazione di
fluorescenza
Applicazione
di simulazione
Package di modelli
di radiazione
spaziale
Modellizzazione
del rivelatore
Modellizzazione
ambiente di
radiazione e
campione
Validazione
della Fisica
Validazione con
Test su fascio
Fattibilità della
misura
Package per la deeccitazione atomica incluso nel toolkit Geant4
Applicazione di simulazione inclusa come Advanced Example
in Geant4
Lavoro presentato in conferenze: 21st Century Monte Carlo Methods for Space
Applications, SPIE, CHEP01-Computing in High Energy Physics
Obiettivi per il futuro
•Modelizzazione del rivelatore
• Descrizione accurata della geometria del velivolo e modellizzazione
della superficie di Mercurio
• Modellizzazione completa dell’ambiente di radiazione di Mercurio
• Discriminazione dei diversi contributi di segnale e di rumore, e
determinazione delle tecniche per l’analisi degli spettri di fluorescenza
• Stima del danno da radiazione al rivelatore durante la missione