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programma di ricerca
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento
Gruppo
FSC
5
Rapp. Naz.: Mauro Tonelli
Rappresentante nazionale:
Mauro Tonelli
Struttura di appartenenza:
PI
Posizione nell'I.N.F.N.:
PROGRAMMA DI RICERCA
A) INFORMAZIONI GENERALI
Fiber Scintillating crystals
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Sigla dello
esperimento assegnata dal
laboratorio
Dipartimento di Fisica 'E. Fermi', Universita' di Pisa
FSC
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Crescita e caratterizzazione di fibre cristalline drogate con Ce3+ o Yb3+ scintillanti
Sistema di crescita 'micro−Pulling−Down'
INFN − Pisa
Istituzioni esterne all'Ente
partecipante
1 anno
Durata esperimento
B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento
PERIODO
ATTIVITA' PREVISTA
− Growth of NLM:Ce3+ fibers (diameter <=1 mm, l=3−10 cm)
01/01/2005−31/12/2005
Mod EN. 1
− Growth of YAP:Ce3+ fibers (diameter <=1 mm, l=3−10 cm)
− Growth of LuAG:Yb3+ fibers (diameter <=1 mm, l=3−5 cm)
− Spectroscopic analysis (Attenuation Length, Fluorescence, Quantum efficiency)
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
PI
Codice
Esperimento
FSC
Resp. loc.: Mauro Tonelli
Gruppo
5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Conferenza
di cui SJ
1,0
1,0
n.2 crogioli di iridio
4,2
n.1 crogiolo di platino
2,7
Termocoppie
0,8
Ceramiche speciali
2,0
Materiali di consumo: materiale per lappatura e pulizia, platino manutenzione
(spettrofotometro e raggi X), polveri di crescita...
5,0
23,2
2,0
Componentistica ottica UV
1,5
Fotomoltiplicatore XP2020 Philips + preamp
3,0
Maestro MCA card
2,0
Componentistica per montaggio delle fibre e microposizionamento 2D
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Monocromatore UV (Jobin−Ivon Oriba H10)
2,4
Alimentatore HV (NIM)
1,0
Amplificatore (NIM)
1,5
Totale
4,9
29,1
di cui SJ
0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
PI
Codice
Esperimento
FSC
Resp. loc.: Mauro Tonelli
Gruppo
5
ALLEGATO MODELLO EC2
Per la crescita dei vari materiali sara' necessario l'acquisto di crogioli dedicati. Infatti i tre cristalli hanno temperature di fusione diverse e
necessitano di di crogioli di materiali differenti in relazione anche alla atmosfera di crescita. Per esempio il cristallo NLM ha una
temperatura di fusione piuttosto bassa (intorno a 1100C) e ha bisogno di essere cresciuto in atmosfera con presenza di ossigeno.
L'unico materiale con le caratteristiche necessarie per questo tipo di crescita e' il Platino. Gli altri due cristalli (YAP e LuAG) hanno
temperature di fusione molto piu' elevate (intorno a 1900C) e possono essere anche cresciuti in atmosfera priva di ossigeno. Per questo
motivo e' indispenzabile utilizzare crogioli di Iridio. E' necessario inoltre utilizzare due crogioli distinti per i due diversi drogaggi (Yb3+ e
Ce3+) per evitare contaminazioni nelle fibre monocristallineottenute.
Le termocoppie, le ceramiche speciali e i materiali di consumo elencati sono necessari per modificare e controllare i gradienti di
temperatura all'interno della fornace in modo da ottimizzare le condizioni di crescita. Un ulteriore contributo e' richiesto per le polveri di
crescita, l'attrezzatura per la lucidatura ottica e il mantenimento dello spettrofotometro e del generatore di raggi X necessari per il
controllo delle caratteristiche ottiche e strutturali dei cristalli.
Il monocromatore e l'ottica UV ci permetteranno di misurare le caratteristiche di emissione nella regione di interesse.
• 2 Iridium Crucible: 4.2 k €
• Platinum Crucible: 2.7 k€
• Thermocouple: 0.8 k€
• Special Ceramic: 2 k€
• Consumable materials: 5 k€ Polish., clean., Pt., maint. (Spectr.&RX), powders..
• Conference: 1 k€
• Monochromator UV: 2.4 k€
• UV optical equipment: 2 k€
Le seguenti richeiste economiche riguardano la costrzione di una stazione per la misura dell'efficienza quantica delle fibre
monocristalline prodotte sottoposte a radiazione gamma. In questo caso la richiesta riguarda l'apparecchiatura completa (montaggio
meccanico, rivelatore ed elettronica associata) perche' si prevede di costruire una facility dedicata per questi specifici tipi di strutture
monocristalline.
Ï XP2020 Philips PMT+ preamp 1.5 k€
Ï HV power supply (NIM) 1 k€
Ï Amplification (NIM) 1.5 k€
Ï Maestro MCA card 3 k€
Ï Fibre mounting + 2D mcontrol 2 k€
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
PI
Codice
Esperimento
FSC
Resp. loc.: Mauro Tonelli
Gruppo
5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
Codice
Esperimento
FSC
Rapp. Naz.: Mauro Tonelli
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Gruppo
5
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
A CARICO DELL' I.N.F.N.
Struttura
Missioni
interne
Missioni
estere
SJ
PI
TOTALI
Materiale
di
consumo
SJ
SJ
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
Affitti
e
Materiale Costruzione TOTALE
manutenz. inventariabile apparati
Compet.
SJ
SJ
SJ
SJ
SJ
1,0
23,2
4,9
29,1
1,0
23,2
4,9
29,1
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Mod EC./EN. 4
A
carico
di altri
Enti
(a cura del responsabile nazionale)
0,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Nuovo esperimento Gruppo
FSC
5
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
vedere allegato
Mod EN. 5 Pagina 1 di 2
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Nuovo esperimento Gruppo
FSC
5
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod EN. 5 Pagina 2 di 2
(a cura del rappresentante nazionale)
Particolare importanza nel campo astrofisico e medico rivestono materiali scintillanti
monocristallini per la rivelazione di radiazione elettromagnetica X e Gamma. In quest’ambito nella
comunità internazionale sono attivi moltissimi gruppi di ricerca (crystal clear collaboration).
Questa proposta consiste nello sviluppo e studio di cristalli di ossidi drogati con Ce3+ e Yb3+ per
questo specifico scopo. Esso presenta due innovative ed importanti caratteristiche:
• Crescita di fibre monocristalline con il metodo µ-PD [1]
• Sviluppare una sinergia, attualmente inesistente in Italia, tra gruppi che si occupano di crescita e
caratterizzazione di materiali e gruppi che si occupano delle loro applicazioni di scintillazione al
fine di identificare nuovi materiali interessanti per lo scopo e di ottimizzarne le caratteristiche.
Generalmente la realizzazione dei cristalli scintillanti viene ottenuta mediante la crescita con il
metodo Czochralski di una boule monocristallina da cui vengono tagliati ed opportunamente trattati
otticamente campioni di forma particolare per le applicazioni desiderate.
Nonostante l’affermazione di questo metodo di crescita, esso presenta due svantaggi:
- Bassa velocità di crescita della boule (tipicamente da 0.2 a 2 mm/ora) e conseguentemente
tempi lunghi per ottenere il cristallo finito
- Ulteriori costi aggiuntivi per taglio e trattamenti ottici per estrarre dalla boule gli scintillatori di
forma desiderata.
Il metodo di crescita proposto (µ-PD) è invece potenzialmente in grado di realizzare monocristalli
direttamente in forma di fibre o di strisce. Inoltre l’alta velocità di crescita di questo metodo
(tipicamente da 0.3 a 2 mm/minuto) riduce il tempo di realizzazione del materiale di un fattore 60.
Entrambi questi aspetti concorrono ad un abbattimento sostanziale dei costi di produzione. Presso il
gruppo Crystal-Virgo è stata realizzata e messa a punto l’apparecchiatura necessaria per la crescita
di materiali cristallini mediante questo metodo [2] mostrata in figura 1. Tale apparecchiatura è in
grado di essere anche utilizzata per lo scopo del presente progetto. Essa è costituita da una camera
in cui è possibile fare il vuoto e/o immettere un gas inerte alla pressione desiderata. Il crogiolo
(iridio, platino o carbon-glass) è riscaldato ad induzione. Esso ha una forma cilindrica con la parte
terminale conica in cui è presente un foro di diametro opportuno (0.3-1mm) da cui viene tirata la
fibra quando la parte liquida delle polveri immesse nel crogiolo viene in contatto con il seme. La
fibra viene ottenuta traslando il seme verso il basso e sfruttando quindi l’apporto della forza di
gravità. La crescita della fibra viene monitorata e controllata per mezzo di un obiettivo ed una
telecamera CCD attraverso un finestra posta sulla parete della camera. Il crogiolo è sostenuto da un
cilindro dello stesso materiale e di lunghezza opportuna funzionante da after-heater, al cui interno si
solidifica la fibra monocristallina. Tutto questo sistema è sostenuto e schermato per il calore da
opportune ceramiche. Il tipo di materiali utilizzati, gli schermi termici, la lunghezza dell’afterheater sono strettamente legati al materiale da crescere per ottenere gli opportuni gradienti di
temperatura in modo da realizzare fibre monocristalline il piu’ possibile prive di stress e
dislocazioni. Questa apparecchiatura e’ gia’ stata utilizzata per la crescita di fibre monocristalline di
vari materiali. In figura 2 sono mostrati alcuni esempi di fibre messe a punto con questo metodo.
Inoltre il metodo descritto, paragonato al metodo di crescita Czochralski, per le ridotte dimensioni
assiali dei cristalli cresciuti è potenzialmente in grado di produrre campioni con un numero ridotto
di dislocazioni ed impurezze [3]. Questo aspetto è strettamente legato alla lunghezza del cammino
dell’onda elettromagnetica all’interno del materiale e quindi incide direttamente sulla lunghezza di
attenuazione del dispositivo che è uno degli aspetti importanti che caratterizza la qualità di uno
scintillatore.
Come già evidenziato questa proposta ha anche la prerogativa di presentare nella stessa area
scientifica sia la messa a punto del materiale che la sua caratterizzazione strutturale ed ottica,
valutandone il rendimento di scintillazione. Questi aspetti presenti all’interno dei gruppi proponenti
sono una preziosa sinergia per la messa a punto sia del tipo di materiale che dell’entità del
drogaggio degli ioni trivalenti di terre rare per l’ottimizzazione di monocristalli scintillanti.
Questo progetto, di carattere esplorativo, copre l’arco temporale di un anno e si articola in due fasi:
Nella prima fase si prevede di crescere due tipi di fibre monocristalline:
•
NaLa(MoO4)2 (NLM): Ce3+ di diametro <=1 mm, e lunghezza=3-10 cm (densita’ = 4.5
gr/cm3, n=1.8)
• YAlO3 (YAP): Ce3+ di diametro <=1 mm, e lunghezza=3-5 cm (densita’ = 5.34 gr/cm3,
n=1.9)
Il primo materiale proposto è un cristallo con una temperatura di fusione di 1120 C fino ad oggi
inesplorato per questo tipo di applicazioni. Esso verrà cresciuto a pressione atmosferica in un
crogiolo di platino. Il secondo materiale ha una temperatura di fusione di 1875 C. Per questo tipo di
crescita è previsto l’uso di un crogiolo di iridio adatto per essere usato con cristalli che hanno la
temperatura di fusione fino a 2200 C. In questo caso la crescita avverrà in atmosfera inerte (argon)
per evitare l’ossidazione del crogiolo stesso. Poichè le caratteristiche scintillanti di questo materiale
sono ben note [4], esse forniranno un prezioso feedback per la messa a punto delle migliori
condizioni sperimentali di crescita per le nostre fibre monocristalline.
Verranno quindi esplorate le caratteristiche ottiche di questi materiali quali l’assorbimento della
transizione 4fà 5d e l’emissione tra il livello 5d e i multipletti 2F7/2 e 2F5/2 della configurazione
elettronica 4f, per valutare lo stock-shift e confrontarlo con i dati presenti in letteratura su questi
materiali o su altri cristalli drogati con Ce3+ [5]. Sarà inoltre misurata e valutata la vita media della
transizione 5dà4f, la lunghezza di attenuazione e l’efficienza quantica quando il materiale è
irraggiato da radiazioni elettromagnetiche X e Gamma. L’insieme di queste misure al variare della
percentuale del drogante fornirà un quadro esaustivo della potenzialità scintillante di questi
materiali comparata a quelli presenti in letteratura [4].
Nella seconda fase si prevede la crescita dei seguenti campioni:
• YAP:Ce3+, diametro <=1 mm, e lunghezza=5-10 cm
• Lu2Al5O12 (LuAG):Yb3+ di diametro <=1 mm, e lunghezza=1-5 cm (densità=8.34 gr/cm3,
n=1.8)
L’esperienza acquisita nella crescita durante la prima fase ci permettera’ nella seconda parte
dell’anno di crescere fibre di YAP di lunghezza maggiore e qualita’ ottica migliore, che verranno
caratterizzate come nella fase precedente.
Il secondo materiale (LuAG:Yb3+) che ha una temperatura di fusione di 1960 C, per questo verrà
cresciuto in un crogiolo di iridio in atmosfera inerte. Anche esso sarà realizzato quale fibra
monocristallina di diametro simile a quello degli altri materiali, ma lunghezza leggermente
inferiore. In questo caso è necessario un ulteriore crogiolo di iridio perchè quello usato con lo YAP
è contaminato dal Cerio e non puo’ essere usato per mettere a punto un cristallo drogato con Yb3+
privo di contaminanti. Questa affermazione è maturata dalla nostra precedente esperienza nella
crescita di cristalli e fibre con differenti impurezze quali droganti. L’esplorazione di questo
materiale drogato con Yb3+ in luogo del classico drogaggio con Ce3+ è essenzialmente dovuto
all’aspetto interessante che l’emissione del cristallo, una volta irraggiato da una radiazione
elettromagnetica, è dovuta all’Yb2+ per un trasferimento di carica dall’Yb3+[6]. Questo ovviamente
si ripercuote sullo stock-shift, aumentando la lunghezza di attenuazione anche se la vita media della
fluorescenza ottenuta è mediamente piu’ lunga di un ordine di grandezza di quella ottenuta con lo
ione Ce3+, quale drogante [7].
Anche in questo caso al variare del drogaggio dello ione Yb3+ sarà misurata e valutata la banda di
emissione dello ione Yb2+, la lunghezza di attenuazione e l’efficienza quantica quale elemento
scintillante.
In conclusione al termine del progetto si dovrebbe essere in grado di fornire le caratteristiche di
questi materiali e l’entita’ del drogaggio degli ioni Yb3+ o Ce3+ per l’ottimale efficienza di
scintillazione anche in relazione ai risultati presenti in letteratura. Tutto questo potrà aprire ulteriori
sviluppi per l’esplorazione e/o messa a punto di nuovi dispositivi scintillanti.
Referenze:
[1] P. Rudolph, T. Fukuda Cryst. Res. Technol. 34 (1999) 13-40
[2] P. Amico, L. Bosi, L. Gammaitoni, G. Losurdo , F. Marchesoni, M. Mazzoni, D. Parisi, M.
Punturo, R. Stanga, A. Toncelli, M. Tonelli, F. Travasso, F. Vetrano, and H. Vocca Classical and
Quantum Gravity, 21 pages S1009 - S1013
[3] R. S. Fiegelson Journal of Crystal growth 79 (1986) 669-680
[4] G. F. Knoll ‘Radiation Detection and Measurement’ John Wiley & Sons, Inc. (2000)
[5] P. Dorenbos , J. of Lumin,. 91 (2000) 155-176
[6] L. van Pieterson, M. Heeroma, E. de Heer, A. Meijerink J. of Lumin. 91 (2000) 177-193
[7] A. Yoshikawa, T. Akagi, M. Nikl, N. Solovieva, K. Lebbou, C. Dujardin, C. Pedrini, T. Fukuda;
NIM A 486 (2002) 79-82
Fig. 1: Apparato ‘micro-Pulling-Down per la crescita di fibre monocristalline
a)
b)
c)
Fig 2: esempi di fibre monocristalline cresciute presso il gruppo Virgo-Crystal: a) LiF
(diametro=800micron), b) LiNbO3 (diametro=800micron), c) Si (diametro=400micron)
Codice
Esperimento
FSC
Rapp. Naz.: Mauro Tonelli
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Gruppo
5
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
FINANZIARI
2005
Spese
Materiale
Affitti e
Materiale Costruzione
Trasporti e
Missioni Missioni
di
di
manutenz. inventariabile apparati
facchinaggi
interne estere
calcolo
consumo
1,0
23,2
4,9
TOTALI
Mod EC./EN. 6
1,0
0,0
23,2
0,0
0,0
0,0
4,9
0,0
TOTALE
Compet.
29,1
29,1
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
PI
Codice
Esperimento
FSC
Resp. loc.: Mauro Tonelli
Gruppo
5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
1
2
3
4
5
6
Qualifica
Affer.
RICERCATORE Dipendenti
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
Al−Shurbagy M.
Bigotta Stefano
Del Guerra Alberto
Herbert Deborah
Toncelli Alessandra
Tonelli Mauro
B.P.D.
Dott.
P.O.
AsRic
I.N.F.M.
P.A.
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
5
5
5
5
2
2
40
20
20
30
30
50
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
N
TECNICI
Cognome e Nome
0
0
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
La Sezione fornira' il supporto tecnico necessario.
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
6 Numero totale dei Tecnici
1.9 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
N
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0
0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento
FSC
Rapp. Naz.: Mauro Tonelli
Gruppo
5
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005
Data
completamento
Descrizione
1/1/2005−30/6/2005
Growth of NLM: Ce3+ fibers (diameter <= 1 mm, l=3−10 cm)
Spectroscopic analysis (Attenuation Length, Fluorescence, Quantum efficiency)
Growth of YAP:Ce3+ fibers (diameter <= 1 mm, l=3−5 cm)
1/7/2005−31/12/2005
Growth of YAP: Ce3+ fibers (diameter <= 1 mm, l=5−10 cm)
Growth of LuAG:Yb3+ fibers (diameter <= 1 mm, l=3−5 cm)
Spectroscopic analysis (Attenuation Length, Fluorescence, Quantum efficiency)
Mod EC./EN. 8
(a cura del responsabile nazionale)