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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)