Il microfascio esterno di protoni all'acceleratore di Firenze: set-up e applicazioni

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1 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, Aprile 2006

2 Facility di microfascio!...un...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 con entrambi si ottengono mappe X-Y X Y di distribuzione degli elementi presenti

3 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

4 Microscopio a protoni con fascio esterno risoluzione spaziale molto buona (<10 µm) 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

5 Pre-requisiti: Facility di microfascio esterno di Firenze 1. Sorgente di protoni (decine di µa) 2. Acceleratore di particelle (MeV) 3. Sistemi di trasporto del fascio sino al canale di microfascio

6 acceleratore Tandem del laboratorio Labec di Firenze

7 1 - sorgente e trasporto a bassa energia

8 2 accelerazione Argon stripper

9 3 - trasporto del fascio al canale di microfascio

10 sala dell acceleratore (sorgenti)

11 acceleratore Tandem (moltiplicatore tensione)

12 Facility di microfascio esterno di Firenze 10 µm di fascio esterno su bersaglio; cosa serve? 4. Ottica di focheggiamento forte QD (distante dalle OS) 5. Object slits OS per regolare le dimensioni del fascio in ingresso 6. Estrazione del fascio in esterno (fuori dal vuoto) 7. Scansione

13 linea di microfascio OS QD

14 la lente Bobine scansione Quadrupole Doublet QD

15 microfascio esterno : finestre 0.5 mm finestre Si 3 N nm thick x 0.5 mm 2 wide x 1.0 mm 2 wide finestra montata su nasino di uscita del fascio

16 Microfascio esterno I percorso esterno il più corto possibile, 2 mm nel nostro set-up bersaglio fascio in elio 2 mm

17 atmosfera di He tra bersaglio e finestra di uscita del fascio Microfascio esterno II

18 Cosa abbiamo ottenuto: Demagnification factors (D x,; D y ) Object slit aperture (µm) Collimation slit aperture (mm) FWHM (µm) (vacuum) FWHM (µm)( (helium) FWHM (µm) (air) 8;

19 Per finire: 8. Rivelazione 9. Visualizzazione 10. Acquisizione (riorganizzazione dati)

20 il set-up di rivelazione 2 rivelatori X per PIXE rivelatore particelle per BS rivelatore X per misura corrente rivelatore γ per PIGE allo studio rivelatore particelle in avanti

21 set-up di rivelazione: close-up

22 per ogni segnale dal rivelatore si acquisiscono : energia E del raggio X rivelato posizione (x, y) del fascio Cu Si Ti Cu 1000 K Zn 500 µm conteggi Counts Energy (kev) energia (kev) Max. Si Cu Min.

23 scopo della misura: rivelare contaminanti nelle piste degli adattatori di passo di CMS Lato fan-out microelettronica 160 µm 80 µm 130 µm 340 µm 30 µm 10 µm 14 µm strato di pochi mm di Al su sottile strato di Cr (~100 nm) allargamento (pad) alle estremità delle piste per le saldature 250 µm Lato fan-in 44 µm 50 µm scansione integrata: 4 scansioni magnetiche di 360x360 µm 2 su entrambi i lati dell adattatore, sovrapposte di 60 µm le une alle altre

24 Ba L Cu K Ca K Cr K Sr K BIG La contaminazione conteggi Sb Kα Ba Kα mappa del rame energia (kev) Immagine ottica LATO FAN-OUT 660 µm Cu Come si vede... il rame viene dalle piste

25 Analisi di disegni a punta metallica su carte preparate Vari tipi di stilo metallico per scrivere su carta ( Köln, museo diocesano)

26 Rogier Van der Weyden S. Luca che ritrae la Vergine (dettaglio) Boston, Museum of Fine Arts Stilo d argento (Hannover, Landesmuseum)

27 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

28 Leonardo da Vinci STUDIO DI DRAPPEGGIO Roma, Istituto Nazionale per la Grafica punta metallica + bianco di piombo su carta preparata

29 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

30 Test su campioni preparati in laboratorio Carta preparata con cinabro (HgS) e bianco di piombo Stilo di Pb 2 mm Mappa Pb

31 Analisi di inchiostri metallo-gallici (I) 1 mm Mappa Cu Mappa Fe 1 cm

32 Analisi di inchiostri metallo-gallici (II) Fotografia Mappa Cu (ottenuta con protoni da 3 MeV) Fotografia con retroilluminazione

33 Analisi di inchiostri metallo-gallici (III) Fotografia Mappa Fe Fotografia con retroilluminazione

34 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 cm 2 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)