Academic literature on the topic 'Rivelatori di particelle cariche'

Lo sviluppo della tecnologia nei più diversi settori applicativi ha portato all’introduzione dei microsistemi in nuovi campi d’impiego, caratterizzati da condizioni di funzionamento ostili, nei quali le tecnologie tradizionali basate sul silicio si mostrano decisamente inadeguate. In particolare, per le applicazioni di diagnostica neutronica “in core” e “out of core” nei moderni reattori a fissione e a fusione nucleare sono necessarie qualità di resistenza alla radiazione, stabilità e riproducibilità della risposta difficilmente ottenibili con i sensori convenzionali disponibili attualmente in commercio ed è per questo che la ricerca, a livello mondiale, si è indirizzata verso il diamante, il materiale più adatto, grazie alle sue eccellenti proprietà chimico-fisiche ed elettroniche, alla realizzazione di rivelatori operanti con alte prestazioni anche in condizioni operative critiche (in presenza di alti flussi di radiazione particellare e fotonica, alte temperature, stress meccanici e termici, agenti corrosivi, etc.). Questo lavoro di tesi è dedicato alla realizzazione e allo studio di microrivelatori di neutroni termici e veloci in diamante monocristallino CVD a partire dalla sintesi del materiale e dalla caratterizzazione di base dei dispositivi prodotti, presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università degli studi di Roma “Tor Vergata” e il generatore di neutroni FNG, fino all’installazione e al test dei detectors in grandi facilities sperimentali, quali i reattori a fissione e fusione nucleare TRIGE e JET, rispettivamente. Le proprietà fisiche dei film sintetizzati di diamante a singolo cristallo (SCD), sia intrinseci che drogati con boro, sono state approfonditamente indagate attraverso tecniche di caratterizzazione diffrattometriche, spettroscopiche, morfologiche ed elettriche. I difetti presenti nel diamante intrinseco e, in particolare, le trappole poco profonde (“shallow traps”) sono stati studiati analizzando i fenomeni di trapping-detrapping dei portatori di carica sotto irraggiamento UV, nel quadro di un modello teorico sviluppato per l’interpretazione dei dati sperimentali, individuandone così l’energia di attivazione. La combinazione di film di diamante monocristallino drogati con boro (SCD-p) e intrinseci (SCD-i), unitamente alla possibilità di realizzare giunzioni Schottky sul diamante intrinseco con banali contatti circolari di Al, ha consentito, ricorrendo a semplici strutture multilayer M/SCD-i/SCD-p, di ottenere con altissimi livelli di riproducibilità dispositivi di eccellente qualità utilizzabili efficacemente sia in ambito puramente elettrico (come diodi Schottky rettificanti) che rivelatoristico, come detectors di fotoni (UV, VUV, raggi X, gamma), particelle cariche e neutroni. La caratterizzazione di tali dispositivi, accanto alla loro realizzazione seriale, ha costituito parte integrante di questo lavoro di tesi ed è stata condotta approfonditamente al fine di indagare le proprietà sia elettriche che spettroscopiche dei rivelatori prodotti. La caratterizzazione spettroscopica è stata svolta attraverso irraggiamento con particelle α da 5.5 MeV prodotte da una sorgente 241Am e si è rivelata uno strumento fondamentale per analizzare la riproducibilità, la stabilità, l’efficienza e il potere risolutivo dei rivelatori anche, e soprattutto, per la rivelazione di particelle di più alta energia e, in particolare, di neutroni termici e veloci. Le applicazioni rivelatoristiche nell’ambito della diagnostica di neutroni termici e veloci hanno confermato l’eccellente qualità a livello mondiale dei dispositivi realizzati. Accanto agli ottimi risultati ottenuti in fase di caratterizzazione preliminare presso il generatore di neutroni FNG e in sede di test presso il reattore a fissione nucleare TRIGA, questo livello di eccellenza è stato dimostrato in campo internazionale dall’installazione di alcuni detectors presso il JET, con prestazioni del tutto comparabili, se non superiori, a quelle della diagnostica ufficiale.
The increasing development of technology in various sectors has led to the introduction of microsystems in new fields, for use in harsh operating conditions, where traditional technologies based on silicon show definitely inadequate. In particular, the applications of “in core” and “out of core” neutron diagnostics in modern fission and fusion nuclear reactors need qualities of radiation hardness, stability and response reproducibility hardly obtainable with currently available conventional sensors. For this reason worldwide research is directed toward diamond, which is, due to its excellent physical-chemical end electric properties, the most suitable material to the realization of detectors operating with high performance even in critical operating conditions (in presence of high fluxes of particle and photon radiation, high temperature, mechanical and thermal stress, corrosion, etc.). This thesis is dedicated to the realization and study of micro-detectors of thermal and fast neutrons based on single crystal CVD diamond (SCD), from the synthesis of the material and the basic characterization of the produced detectors at the laboratories of the Department of Mechanical Engineering of the University of Rome “Tor Vergata” and the Frascati neutron Generator (FNG), to their installation and test in large experimental facilities, such as the fission and fusion reactors TRIGA and JET, respectively. The physical properties of the synthesized single crystal diamond films, both intrinsic and boron doped, have been thoroughly investigated by means of diffractometric, spectroscopic, morphological and electrical characterization techniques. Defects in the intrinsic diamond and, in particular, its shallow traps have been studied by analyzing the charge carriers trapping-detrapping phenomena under UV irradiation, in the framework of a theoretical model developed for the interpretation of the experimental data, thus identifying their activation energy. The combination of boron doped (SCD-p) and intrinsic (SCD-i) single crystal diamond films, together with the possibility to easily build Schottky junctions on intrinsic diamond by thermal evaporation of aluminium contacts, made it possible, by using simple multilayer M/SCD-i/SCD-p structures, to obtain high quality and highly reproducible devices which can be effectively used both for electronics (rectifying Schottky diodes) and for detection of photons (UV, VUV, X- and gamma- rays), charged particles, neutrons. The characterization of these devices, besides their mere realization, has been an integral part of this thesis and has been carried out thoroughly in order to investigate both electrical and spectroscopic properties of produced detectors. The spectroscopic characterization has been carried out by irradiation with 5.5 MeV alpha particles emitted by a 241Am source and has provided an essential tool to investigate detectors reproducibility, stability, charge collection efficiency and energy resolution also, and above all, for detection of particles of higher energy and of neutrons. Radiation detection applications in the diagnostic of thermal and fast neutrons have confirmed the excellent worldwide quality of the devices. Besides the excellent results obtained during preliminary characterization at the Frascati neutron Generator (FNG) and during the test at nuclear fission reactor TRIGA, this level of excellence has been demonstrated in the international field by the installation of some detectors at JET, whose performances are fully comparable, or superior, to those of the official diagnostic.

E stata risolta l'equazione d'onda per la radiazione elettromagnetica ed è stata trovata l'espressione (in forma di integrale) per un impulso monocromatico di frequenza angolare fissata e per un impulso di durata finita, imponendo che nello spazione dei vettori d'onda (k_x,k_y) l'impulso sia rappresentato da una funzione Gaussiana nella forma exp[-w_0^2(k_x^2+k_y^2)/4], dove w_0 rappresenta il waist trasverso. Per avere un'espressione analitica dell'impulso monocromatico e dell'impulso di durata finita si sono rese necessarie rispettivamente l'approssimazione parassiale e un'approssimazione di "fattorizzazione". Sono state analizzate, sia analiticamente sia numericamente, i limiti entro i quali queste approssimazioni possono essere considerate accurate. Le soluzioni esatte e le soluzioni approssimate sono state confrontate graficamente. Nel capitolo finale è stato analizzato il moto di una particella carica che interagisce con un pacchetto d'onda unidimensionale, mettendo in luce la fondamentale differenza tra il moto di questa particella nel vuoto e il moto della stessa in un plasma carico. Infatti, in accordo con il teorema di Lawson-Woodward, nel vuoto la particella non può essere accelerata per interazione diretta con il pacchetto d'onda, mentre nel plasma, a seguito del passaggio del pacchetto, la particella può aver acquistato energia.

Un problema fondamentale nello studio delle particelle elementari è disporre di misure più accurate possibile delle traiettorie che queste seguono all'interno dei rivelatori. La precisione di misura dei parametri di traccia è importante per poter descrivere accuratamente gli eventi e le interazioni che avvengono all'interno dei rivelatori. LHCb è un esempio di esperimento progettato con lo scopo di ottenere misure di precisione dei parametri della cinematica delle particelle per poter studiare la violazione delle simmetrie. Rivelatori come quello dell'esperimento LHCb utilizzano avanzate tecniche di tracciamento per individuare le traiettorie. Queste sono influenzate da fattori di rumore dovuti all'interazione tra le particelle e il materiale del rivelatore stesso. Nell'analisi delle misure effettuate quindi occorre tenere conto che sia la sensibilità del rivelatore che i fattori di rumore contribuiscono nella determinazione dell'incertezza sulla misura. Uno strumento matematico usato per ottenere precise stime dei parametri di traccia è il filtro di Kalman, che implementato su un campione di misure di una determinata grandezza, consente di minimizzare gli effetti dovuti a rumori statistici. In questo lavoro di tesi sono stati studiati la struttura e il funzionamento del rivelatore dell'esperimento LHCb e dei sistemi di tracciamento che lo caratterizzano e che ne costituiranno il futuro aggiornamento. Inoltre è stata analizzata l'azione del filtro di Kalman, implementandolo in una simulazione di tracciamento al calcolatore.

Questa tesi si inserisce nell’ambito del progetto WA104-NESSiE al CERN per il quale era richiesto lo sviluppo di un tracciatore di particelle cariche da utilizzare in presenza di campi magnetici e avente una risoluzione sulla posizione ricostruita di 1-2 mm. Il lavoro di tesi ha riguardato l'analisi dei dati raccolti con un prototipo del tracciatore composto da barre di scintillatori a sezione triangolare, accoppiati a SiPM i cui segnali sono acquisiti in modalità analogica. Il prototipo è stato esposto a particelle cariche presso la linea di fascio T9 del PS del CERN nel maggio 2016. La catena di analisi è stata validata con dati provenienti da una simulazione Monte Carlo basata su Geant4 che fornisce la risposta del tracciatore al passaggio di particelle cariche (pioni e muoni) a diversi impulsi (1-10 GeV/c). Successivamente, è stata fatta un'analisi preliminare dei dati reali e un confronto con la simulazione Monte Carlo. La risoluzione ottenuta per pioni di 5 GeV è di ∼ 2 mm, compatibile con il valore ottenuto dalla simulazione Monte Carlo di ∼ 1.5 mm. Questi risultati sono stati ricavati analizzando una frazione degli eventi acquisiti durante il test beam. Una misura più accurata della risoluzione del tracciatore può essere ottenuta introducendo alcune correzioni, come ad esempio l’allineamento dei piani, la ricalibrazione dei segnali dei singoli canali e, infine, analizzando l’intero campione.

Negli esperimenti con particelle elementari si rende spesso necessario misurarne l’impulso e discriminare il segno della carica con l’ausilio di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce nell'attività preliminare per la realizzazione di uno spettrometro per muoni con impulso nell'intervallo 0.5-4 GeV, posto all'interno di un campo magnetico in aria. Il prototipo di tracciatore su cui sono state condotte le misure presentate in questa tesi è costituito da diversi piani di barre di scintillatore plastico accoppiate a fotomoltiplicatori al Silicio. Le misure di laboratorio sono state finalizzate a determinare la risoluzione spaziale del prototipo a partire dai segnali di muoni cosmici nelle barre di scintillatore. Dalla ricostruzione delle tracce dei muoni è stata determinata una risoluzione spaziale migliore di 2 mm, che risulta adeguata per lo spettrometro che si vuole realizzare.

La tesi si svolge nell'ambito dell'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target), che ha come obiettivo principale quello di migliorare la precisione delle tecniche adroterapiche per la cura dei tumori attraverso lo studio del comportamento dei fasci di particelle utilizzati. FOOT è un progetto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), approvato nel settembre del 2017, a cui partecipa anche la sezione INFN di Bologna e che vanta una collaborazione internazionale con Germania e Giappone. Il secondo, ma non meno importante aspetto dell'esperimento, riguarda lo studio della radioprotezione degli astronauti e delle apparecchiature elettroniche nello spazio al di fuori del campo magnetico terrestre (raggi cosmici). La prima parte della tesi è dedicata alla descrizione dell'interazione tra nuclei del fascio e quella di un ipotetico bersaglio al fine di descrivere tutte le conoscenze raggiunte, ma soprattutto quelle ancora da acquisire, sia nel campo dell'adroterapia che nel campo della radioprotezione. Nella seconda parte della tesi viene descritto il progetto di un supporto orientabile munito di scintillatori da me interamente realizzato, necessario per effettuare misure di tempi di volo che saranno utilizzate per migliorare la capacità dell'esperimento FOOT di identificare i frammenti prodotti. Al momento l'apparato è munito di scintillatori veloci accoppiati a fotomoltiplicatori convenzionali, che hanno permesso di ottenere una misura del tempo di volo di muoni cosmici con una precisione del 12%. Il passo successivo sarà quello di sostituire i fotomoltiplicatori con dei SiPM e gli scintillatori con altri di dimensioni più contenute, al fine di minimizzare le fluttuazioni temporali e ottenere misure più precise. L'attendibilità dei risultati ottenuti sulla misura dei tempi di volo è stata ulteriormente verificata misurando il flusso dei raggi cosmici in funzione dell'angolo di incidenza, che ha mostrato la distribuzione attesa.

L'esperimento ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), condotto al CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) nell'acceleratore LHC, è un rivelatore di particelle adoperato per studiare la fisica emergente dalle collisioni protone-protone e di ioni pesanti. La difficoltà dello studio delle particelle si traduce nella grande complessità dei rivelatori adoperati, il cui funzionamento deve essere costantemente monitorato. Infatti è possibile che a seguito dell'azione della radiazione ionizzante prodotta nelle collisioni, i dati di una o più componenti elettroniche del rivelatore vengano corrotti, alterando quindi le informazioni di fisica contenute in essi. Poiché il sistema attuale di monitoraggio delle RPC di ATLAS è puntuale sulla singola presa dati, l'obiettivo principale del lavoro di questa tesi è quello di sviluppare un ulteriore strumento di monitoraggio che permetta agli esperti di visualizzare l'andamento della qualità della presa dati in funzione dei diversi run. In questo modo, durante il Run 3 (e i successivi), si potrebbe facilitare l'individuazione dei settori di trigger con malfunzionamenti e contribuire a prevenire significative perdite di dati insieme alla rottura di componenti elettroniche del rivelatore. In questo lavoro in particolare si analizzano 20 run della presa dati di ATLAS del 2018 e attraverso l'esecuzione del codice sviluppato si riscontra che alcuni settori di trigger riportato per l'80-95% delle volte errori di qualità dei dati, mostrando quindi un'elevata frequenza di errore che potrebbe allertare gli esperti di monitoraggio.

Inner Tracker (ITK) è il nome del futuro tracciatore dell'esperimento ATLAS, sostituto dell’attuale Inner Detector (ID). ITK sarà costituito solo da rivelatori al silicio con geometria a strip e a pixel. ITK è un upgrade necessario perchè ATLAS lavori durante la Fase II del Large Hadron Collider (LHC): High-Luminosity LHC. Le condizioni di lavoro a HL LHC richiedono una maggiore granularità, rispetto al detector attuale, per far fronte alla maggiore molteplicità delle tracce cariche. Le correnti più elevate dei fasci, e la maggiore luminosità, si riflettono in un maggiore flusso di radiazione. Per garantire le operazioni del detector nel lungo periodo ITK dovrà avere una robustezza alle radiazioni superiore rispetto a ID. Uno dei compiti del gruppo dell'INFN di Bologna è la qualifica di una parte dei moduli del rivelatore che comporrà gli strati più interni di ITK. È previsto che ciascun modulo (insieme di materiale attivo, chip di readout e PCB per le connessioni) sia sottoposto a cicli termici per verificare la robustezza del collegamento tra le sue parti. I moduli devono anche essere messi in funzione in ambienti a temperature diverse, in particolare a quelle previste durante la presa dati. In questi passaggi è importante associare alle misure fatte sui moduli le misure delle condizioni ambientali. Si tengono sotto controllo temperatura e umidità dell'ambiente e la temperatura del modulo stesso. Misurare la temperatura permette di controllare che i test avvengano secondo le specifiche e a temperature che non pregiudichino la qualità dei risultati. Misurare l’umidità permette di garantire che le operazioni avvengano a temperature lontane dal punto di rugiada, eliminando il rischio di condensazione di acqua sui moduli. L’elaborato presenta il mio lavoro per lo sviluppo del sistema di monitoraggio delle condizioni ambientali. Il sistema ha permesso di misurare la temperatura e l'umidità durante i test dei moduli e di registrare le misure su un database.

L'obiettivo principale di questa trattazione è l' introduzione di un dispositivo planare multistrato costituito di diamante monocristallino CVD, sviluppato presso il Laboratorio di Microsistemi di Tor Vergata. Questo si inserisce all'interno dello studio dei microsistemi e del diamante come semiconduttore effettuato lungamente dal Gruppo di Ricerca. Il punto di forza dei microsistemi è costituito dalla loro caratteristica principale, l'integrazione fra i diversi componenti della catena di trasduzione: nello stesso componente vengono realizzati con tecnologia IC (Integrated Circuit) sia i sensori che rivelano e misurano grandezze chimiche e fisiche, che gli elementi che permettono di trasformarle in segnale elettrico, che dove possibile, l'elettronica necessaria a processarlo. Oltre a ciò, le caratteristiche più rilevanti e vantaggiose della tecnologia dei microsistemi sono la funzionalità ed affidabilità, e il basso consumo energetico. Il materiale prevalentemente utilizzato nella realizzazione dei microsistemi è il silicio che è il principale semiconduttore in elettronica ed ha anche buone proprietà meccaniche. Da tempo ormai la ricerca si muove verso materiali avanzati in grado di sostituire il silicio nelle applicazioni per cui non è adatto: il silicio infatti presenta dei problemi nelle applicazioni in ambienti ostili, che ne limitano l' uso e quindi impediscono in alcuni campi l'introduzione di microsistemi. In quest'ambito si inserisce lo studio del diamante come semiconduttore, con il fine di realizzare in ultimo un'elettronica del diamante. Si vorrebbe in pratica abbinare ai pregi del silicio come semiconduttore, la possibilità di operare in ambienti ostili. Tra i vari materiali avanzati da considerare c'è appunto il diamante artificiale policristallino e, di recente anche monocristallino prodotti con tecnica CVD (Chemical Vapour Deposition) grazie ad alcune notevoli proprietà elettroniche e fisiche, come l'alto punto di fusione, la bassa reattività chimica, la robustezza, un alto campo di breakdown e l' alta mobilità dei portatori, che implica anche la possibilità di operazioni estremamente veloci, in questo senso il diamante sarebbe adatto a fare da switch. monocristallino, per il fatto che la natura policristallina dei diamanti CVD e la relativa alta concentrazione di difetti strutturali (in grano e di bordo) rappresenta un limite alle possibili applicazioni, ad esempio nei rivelatori di radiazione. Per poter sfruttare a pieno tutte le possibilità di applicazione del diamante è necessario avere diamanti di buona qualità, per cui è fondamentale lo studio delle proprietà fisiche dei diamanti CVD, con lo scopo di comprenderne le caratteristiche ed ottimizzarne i parametri di crescita. Si cerca inoltre di applicare i modelli circuitali e dispositivistici già noti dalla tecnologia del silicio, a quella diamond-based, si inserisce quindi in quest'ottica la progettazione e lo sviluppo di dispositivi al diamante che sono oggetto di questa tesi. Le attività relative alla presente trattazione sono state svolte presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell' Università di Roma Tor Vergata e consistono in esperienze di crescita di diamante policristallino e monocristallino, intrinseco e drogato al Boro; caratterizzazione del materiale, produzione di un dispositivo multistrato (diamante CVD tipo-p, intrinseco, metallo) e relative misure come rilevatore di particelle radioattive alfa.
The main purpose of this thesys is to introduce a new multi-layer single crystal CVD Diamond Planar Device developed at the Microsystems lab of University of Rome Tor Vergata. This job follows the studies about Microsystems and diamond applications as a semi-conductor material, already deeply investigated by this Group. The basic caratheristic of Microsystems is the integration among different components of transducing supply chain: within the same components sensors, transducers and controlled elements are realized through Integrated Circuit Technology, where sensors apply chemical and physical measurements and their resulting signal is translating into an intelligible electric signal. More over most profitable caratheristics of microsystems technology are functionality and reliability and low power. The most important material in this field is silica that is the main semi-conductor material in electronics having also good mechanical properties. For a long time research have been moving to advanced materials substitute silica in those application which it can' t be used in: infacts Si is not usable in hostile environments within this view the study as a semiconductor occurs with the goal to realize a diamond-base electronics. This would imply putting together semi-conductor qualities and the possibility to work in hostile environments. Among advanced materials there are synthetic polycrystalline diamonds and most recently single crystal diamonds, both made by CVD Technique (chemical vapour deposition): due to some electronic and physical properties, like high fusion low chemical reactivity, high break down field, high carrier mobility implying fast operations. Currently new electronics develop single crystal diamonds studies because polycrystalline CVD diamonds have many structural defects that limited their performances and applications. To properly use diamond features it' s necessary to have good diamonds and to understand how good is a diamond it' s fundamental to study and characterize CVD diamond properties in order to optimized growth parameters finalizing them for each application. Particularly activities done for this thesys concern synthesis characterization and proget of a multi-layer (p-doped/intrinsic/metal) single crystal diamond device as a detector of alpha particles. Growth conditions will be shown, characterization methods used are electronic microscopy, cathodoluminescence, X-ray.

Il problema della reazione di radiazione e dell'auto-forza associata al moto di particelle puntiformi cariche è uno dei problemi fisici che al calare del XIX secolo e gli inizi del XX secolo fu di maggiore interesse per i fisici dell'epoca. Ad oggi, tale fenomeno è stato declassato come problema minore dell'elettromagnetismo. Infatti, studiandolo dapprima con gli elementi di elettrodinamica classica e successivamente con l'elettrodinamica quantistica (QED), non sono mai state trovate soluzioni complete in grado di dare una risposta esaustiva al quesito. Ripercorreremo quindi da un punto di vista storico gli studi effettuati da Abraham e Lorentz, per cercare una soluzione parziale al problema della reazione di radiazione dal punto di vista classico.