1 2i. the interactions of x-rays and -rays with matter (from the point of view of the impinging...
TRANSCRIPT
1
2I.The interactions of X-rays and -rays with matter(from the point of view of the impinging photons):
-X-ray and -ray production;-linear attenuation coefficient;-mass attenuation coefficient;-Xcomp program;-photoelectric effect;-Compton effect;-coherent scattering;-pair production;-Xmudat and Xcom databases
2
Radiation types (X-rays and -rays): ok
• X-rays and -rays are electromagnetic radiation:i.e., photons (quantum energy particles with no mass).
The electromagnetic spectra
E= h, with h=6.62610-34 Js h=4.13610-15 eVs
= c/, with c= 3108 m/scp
E
3
• Working Principle: An accelerated charge emits electromagnetic radiation (photon). bombardment of a target material with a beam of fast electrons.
• Electrons are emitted thermally from a heated cathode (C) and are accelerated toward the anode target (A) by the applied voltage V (~10-200 kV). The electron current can be typically 1-50 mA.
X-ray productions by electron interaction with matter: ok
+-
V
CA
e
The X-ray tube
4
• When a beam of energetic charged particles (for instance electrons) is stopped in any dense substance, X-rays with continuous energy spectrum are generated (Bremsstrahlung radiation).• When electrons from the inner atomic shell (K, L, M) of an atom undergo transitions, monochromatic X-rays are emitted (characteristic radiation).• X-rays induce ionization.
X-ray production by electron interaction with matter: ok
The Bremsstrahlung radiation (photon). The characteristic radiation (photon).
5
W and Mo X-rays: emission spectra: ok
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Photon energy (keV)
Pho
tons
/(m
A
sm
m2 )
at 7
50 m
mno
rmal
ized
to m
axim
um
W anode, 50kV, 0.1 mm Al filtration
Mo anode 30 kV, 0.1 mm Mo filtration
17.4 keV
19.6 keV
7.6-12.06 keV
W
Mo
6
X-ray productions by electron interaction with matter
Numeri quantici:1) n=1, 2, 3, 4, …;2) l=0, … n-1;3) m=0, ±1, ±2, …, ±l;4) s=±1/2
7
X-ray productions by electron interaction with matter
The characteristic radiation(X-RAY DATA BOOKLET, Web site: http://xdb.lbl.gov/)
Shell K (n=1; l=0; m=0; s=±1/2)2(s) => elettroni
Shell L (n=2; l=0,1; m=0,±1; s=±1/2),2(s)+6(p) => 8 elettroni
Shell M (n=3; l=0,1,2; m=0,±1,±2; s=±1/2),2(s)+6(p)+8(d) => 16 elettroni
Shell N (n=4; l=0,1,2,3; m=0,±1,±2±3; s=±1/2),2(s)+6(p)+8(d)+10(f) => 26 elettroni
Numeri quantici: 1) n=1,2,3,4, …; 2) l=0, … n-1; 3) m=0, ±1, ±2, …, ±l; 4) s=±1/2
8
X-ray productions by electron interaction with matter
The characteristic radiation(X-RAY DATA BOOKLET, Web site: http://xdb.lbl.gov/)
in eV.
9
X-ray productions by electron interaction with matterThe characteristic radiation(X-RAY DATA BOOKLET, Web site: http://xdb.lbl.gov/)
in eV.
10
***************************************************************************** * * * XCOMP5 * * * * calculates X-ray bremsstrahlung spectra including * * characteristic K- and L-fluorescence radiation of tungsten anodes. * * * * R. Nowotny; Institut für Biomed. Technik und Physik, * * University of Vienna, AKH - 4L * * Währinger Gürtel 18-20, A-1090 Wien, Austria * * * ******************************************************************************
.... press any key to continue ....
X-ray production by electron interaction with matter (Xcomp5)
11
X-ray production by electron interaction with matter (Xcomp5)
Calculation of diagnostic X-ray spectra - v. 3.5 ********* 2010-03-11/16:53:22
==============================================================================
Input data for max. 5 X-ray spectra (data set is ignored if kVp = 0.0):
╔════════════════════ Spectrum data #1 ════════════════════╗
║ ║
║ Tube voltage-kVp ( 20 - 150 kV ) : 50.0 ║
║ Anode angle ( < 45 deg ) : 20.0 ║
║ Distance ( 8 - 1000 cm ) : 100.0 ║
║ ║
║ Absorbers - Be : 0.0 ║
║ (0 - 300 mm) - Al : 0.0 ║
║ - Cu : 0.0 ║
║ - Sn : 0.0 ║
║ - Pb : 0.0 ║
║ - water : 0.0 ║
║ - PMMA : 0.0 ║
║ - transformer oil: 0.0 ║
╚════════════════ F10: accept data set / ESC: exit ... ══════════════ ╝
12
W anode, Take off angle 20°, distance from the tube 100 cm, no filtration, step 1 keV
X-ray production by electron interaction with matter (Xcomp5)
13
W anode, Take off angle 20°, distance from the tube 100 cm, step 0.5 keV
X-ray production by electron interaction with matter (Xcomp5)
14
X-ray production by electron interaction with matter (Xcomp5)
Attività individuale
I tubi a raggi X per diffrattometria sono utilizzati come sorgenti di radiazione ionizzante per test di qualifica o studi degli effetti della radiazione ionizzante su componenti elettronici in tecnologia CMOS.
Utilizzando il programma Xcomp5 determina lo spettro di emissione da un tubo a raggi X nelle seguenti condizioni:
-V=50 kV, TakeoffAngle 15°, filtrazione: 0.3 mm Be +0.1 mm Al;
-V=50 kV, TakeoffAngle 45°, filtrazione: 0.3 mm Be +0.1 mm Al;
-V=50 kV, TakeoffAngle 15°, filtrazione: 0.3 mm Be +0.5 mm Al;
-V=50 kV, TakeoffAngle 45°, filtrazione: 0.3 mm Be +0.5 mm Al;
15
Produzione di raggi X: la radiazione di sincrotroneUna particella carica accelerata emette radiazione elettromagnetica (fotoni):-in particolare abbiamo visto che gli elettroni di un fascio che impattano su un materiale vengono decelerati e quindi emettono radiazione elettromagnetica (fotoni) con spettro continuo che viene detta radiazione di Bremsstrahlung;-anche gli elettroni che si muovono su una traiettoria circolare (come ad esempio in un sincrotrone) e che devono essere soggetti ad una accelerazione centripeta emettono radiazione elettromagnetica (fotoni) con spettro continuo: tale radiazione viene detta radiazione di Sincrotrone, si estende dal visibile fino a qualche centinaio di keV, non vi è interazione degli elettroni con la materia. In un sincrotrone l’elettrone emette radiazione elettromagnetica (fotoni) quando la sua traiettoria viene deviata da quella rettilinea dai magneti dell’acceleratore, la perdita di energia dell’elettrone viene poi compensata dalle cavità acceleratrici.
16
Produzione di raggi X: la radiazione di sincrotrone
All’elettrosincrotrone ELETTRA di Trieste (http://www.elettra.trieste.it), il cui raggio vale 40 m, l’energia totale degli elettroni è di 2.0 GeV -2.4 GeV, quindi risulta che il fattore vale:
169999999673.02000
511.01
)(1
222
MeV
MeV
vE
mc
c
v
2
2
2
2
1
)( mc
cv
mcvE
L’energia totale di una particella relativistica risulta essere.
2
2
1
1
cv
ove si è posto
da cui2
)(
mc
vE
3914511.0
2000)(2
MeV
MeV
mc
vE
Mentre il fattore risulta essere prossimo ad 1:
17
Produzione di raggi X: la radiazione di sincrotrone
Osserviamo che a tali energie la differenza tra energia totale dell’elettrone ed energia cinetica dell’elettrone risulta trascurabile:
MeVMeVMeVmc
cv
mcvEvEEC 489.1999511.02000
1
)0()( 2
2
2
2
L’energia emessa in un giro dall’elettrone vale:R
eE
43
0
2
3
ed essendo 1, può essere riscritta come:
4
2
0
2
)(
3 Rmc
vEe
E
ed infine: keVMeVmR
GeVEMeVE 4.35
40
161085.8
][
])[(1085.8)( 2
42
18
La potenza emessa dall’elettrone sotto forma di radiazione elettromagnetica (fotoni) vale:
4
2
4
0
243
0
243
0
2
43
0
2
6232323
R
ce
R
c
R
e
R
v
R
e
vRR
e
T
EP
Produzione di raggi X: la radiazione di sincrotrone
19
Radiation types (-rays): ok
• -rays are photons with higher energy than X-rays;
• -rays produced when high energy (MeV) electrons are impinging on a target;
• -rays are emitted from excited nuclei undergoing a transition to a lower energy level or to the ground state;
• -rays induce mainly ionization and to a less intent displacement damage
20
Produzione di raggi con l’interazione degli elettroni della materia: ok
Acceleratori di elettroni medici per radioterapia
Energia elettroni: 6-15 MeVEnergia dei raggi : 10 MeV
21
Acceleratori di elettroni medici per radioterapia
Produzione di raggi con l’interazione degli elettroni della materia: ok
Set-up per elettroniSet-up per raggi
22
Produzione di raggi con sorgenti radioattive: ok
)3227(59 npCo è un isotopo stabile
)3327(60 npCo è un isotopo radioattivo
)3228(60 npNi è un isotopo stabile
Decadimento -: eepn
)3228()32127()13227()3327( 60606060 npNinppNinnpConpCo
eepn
)3228()3327( 6060 npNinpCo
23The 60Co decay scheme: two -rays (1.17 MeV and 1.33 MeV) are emitted
)3228()3327( 6060 npNinpCo
Produzione di raggi con sorgenti radioattive: ok
Half life
24
Produzione di raggi con sorgenti radioattive: ok
Attività (A) di una sorgente radioattiva: numero di disintegrazioni al secondo
1 Bequerel (Bq)= 1 disintegrazione al secondo1 Curie (Ci)=3.71010 Bq= 3.71010 disintegrazioni al secondo
2/1200t
t
t
t
AeAA a
t1/2: tempo di dimezzamentodopo il tempo t1/2 l’attività della sorgente si è ridotta di un fattore 2.ta: tempo di vita mediodopo il tempo ta l’attività della sorgente si è ridotta di un fattore e.
aa t
tt 44.1
693.02/1
2/12 t
t
t
t
ae
2/12lnln t
t
t
t
ae
2ln2/1t
t
t
t
a
2ln2/1tta
25
Produzione di raggi con sorgenti radioattive: ok
Attività individualeLe sorgenti di Co60 sono utilizzate come sorgenti di radiazione ionizzante per test di qualifica o studi degli effetti della radiazione ionizzante su componenti elettronici in tecnologia CMOS e BJT.
-Sapendo che l’attività della sorgente Gammcell Model 150 A a Settembre 2002 valeva 2000 Ci, determina l’attività della sorgente attualmente.-Sapendo che l’attività della sorgente Gamma Cell Nordion 220 a Gennaio 2004 valeva 1230 Ci, determina l’attività della sorgente attualmente.
26
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
Mezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0- n fotoni con energia E
n= µ N x
Il numero di fotoni che interagiscono con il mezzo (n) è direttamente proporzionale al numero di fotoni del fascio attenuato (N) e allo spessore del mezzo (x), la costante di proporzionalità µ viene chiamata "coefficiente di attenuazione lineare".
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia: ok
27
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
Mezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0-n fotoni con energia E
Il coefficiente di attenuazione lineare µ rappresenta la frazione di fotoni che hanno interagito attraversando il materiale rispetto ai fotoni che sono passati senza interazioni (n/N) per unità di lunghezza: la sua unità di misura è cm-1.
µ=N
x
n
28
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
Mezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0-n fotoni con energia E
Significa che: "se attraversando un cm del mezzo il fascio attenuato contiene 1000 fotoni, allora il 2% ovvero 20 fotoni hanno interagito con il mezzo e sono stati deviati, e quindi rimossi dal fascio incidente che conteneva 1020 fotoni".
µ=N
x
n
=0.02 cm-1
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
29
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
collimatoriMezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0- n fotoni con energia E
Quanto abbiamo detto è vero se:-il fascio incidente è collimato;-il mezzo ha uno spessore sottile ovvero n<<N.
collimatori
Rivelatore Rivelatore
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
30
N=N-N0 =N0-n-N0=-n=-µ N x
La variazione del numero di fotoni nel fascio sarà quindi data da:
da cui si ricava:µ x
N(x)= -1 N(x)
e passando alle quantità infinitesimeµ dx
N(x)= -1 dN(x)
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
collimatoriMezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0- n fotoni con energia E
collimatori
La soluzione di questa equazione differenziale è . . .
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
31
Fascio incidente:N0 fotoni con energia E
n fotoni che interagiscono con il mezzo vengono deviati e quindi rimossi dal fascio
collimatoriMezzo sottiledi spessore x
Fascio attenuato:N=N0- n fotoni con energia E
collimatori
Equazione differenziale:
Soluzione:
µ dxN(x)= -
1 dN(x)
N(x)=N0·exµ
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia: ok
32
Esempio 1
Un fascio contenente 103 fotoni monocromatici incide su una lastra spessa 16 cm il cui coefficiente di attenuazione lineare all’energia dei fotoni considerata vale 0.1 cm -1. Determina il numero di fotoni trasmessi.
=1000·exp(-16·0.1)=100·exp(-1.6)=202
Esempio 2
Determina per quale spessore della lastra il numero dei fotoni incidenti viene dimezzato. Tale valore dello spessore di piombo di chiama spessore di dimezzamento (in inglese Half Value Layer "HVL")
xeNxN 0)(
xeN
xN
0
)(
xe
ln
2
1ln x2ln
N(x)=N0·exµ
cm
cmxHVL 93.6
1.0
693.02ln1
xeN
xN
0
)(
2
1
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia: ok
33
Esempio 3Una sorgente di Co60 emette raggi con energia media 1.25 MeV.Il rateo di dose in aria a 1 metro dalla sorgente è 0.7 Gy/minuto.Le regole di radioprotezione richiedono che quando la sorgente è riposta nel contenitore la dose assorbita in aria a 1 metro dalla sorgente sia 0.02 mGy/h.Determina lo spessore della schermatura in piombo del contenitore sapendo che il coefficiente di attenuazione lineare del piombo a tale energia dei fotoni vale 66 m -1, e sapendo che la radiazione deviata dalla schermatura provoca un aumento di un fattore 4 rispetto all’ipotesi del fascio collimato.
1 m
0.7 Gy/min
1 m
0.02 mGy/h
Sorgente di Co60
Schermatura
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
34
Il rate di dose in aria a 1 metro dalla sorgente senza la schermatura vale:
h
Gy
h
GyGyD 42
1
min60
min7.0
min7.0
Il fattore di attenuazione dell’intensità della sorgente risulta essere:
00.100.200002.0
42
hGy
hGy
F
Se il coefficiente di attenuazione lineare del piombo per fotoni di energia 1.25 MeVvale µ=66 m-1, questo significa che lo spessore di piombo per ridurre l’intensità della sorgente di un fattore 2.100.000 sarà:
cmm
mx 1.22221.0
66
55.14000.100.2ln1
Approssimando per eccesso
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
35
Se il coefficiente di attenuazione lineare del piombo per fotoni di energia 1.25 MeVvale µ=66 m-1, questo significa che lo spessore di piombo per ridurre l’intensità della sorgente di un ulteriore fattore 4 dovuto alla radiazione deviata dalla schermatura sarà:
cmm
mx 1.2021.0
66
386.14ln1
Approssimando per eccesso
Lo spessore totale di piombo della schermatura dovrà quindi essere almeno di:22.1 cm+2.1 cm=24.2 cm
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia
36
Il coefficiente di attenuazione massico: ok
Il coefficiente di attenuazione lineare µ dipende dall’energia dei fotoni incidentie dal materiale su cui tali fotoni incidono, la sua unità di misura sono cm-1.
Il coefficiente di attenuazione lineare massico µ si ottiene dividendo il coefficiente di attenuazione lineare del materiale per la densità del materiale (ad esempio la densità del silicio vale 2.33 gr/cm3):
La sua unità di misura è: gr
cm
cmgr
cm
cmgr
cm 23
3
1 1
Come si fa a misurare un spessore in gr/cm2 anzichè in cm?Prendo un quadrato di lato 1 cm di un materiale, la sua area sarà 1 cm2, lo peso,sia 2 gr la sua massa: allora lo spessore del materiale sarà 2gr/1 cm2=2 gr/cm2.
37
Photon (X-rays and -rays) interactions with matter: ok
Schematic drawing of three processes through which photons interact with matter: a) photoelectric effect; b) Compton scattering; c) pair production.
38
Interazione dei fotoni con la materia: l’effetto fotoelettrico: ok
L’effetto fotoelettrico dal punto di vista della meccanica quantistica viene schematizzato come l’interazione di un fotone (particella priva di massa con energia Ef=h ove =c/, e impulso pf=Ef/c) con l’elettrone legato di un atomo (ES sia l’energia di legame della Shell in cui si trova l’elettrone).L’energia del fotone Ef=h viene assorbita dall’elettrone, l’elettrone viene emesso dall’atomo con energia E=h-EL, l’atomo viene ionizzato.
Fotone (Ef =h)
Atomo
Shell K (s[2])= 2·12 e- = 2 e-
Shell L (s[2],p[3])=2·22 e- = 8e-
Shell M (s[2],p[3],d[10]= 2·23 e- = 18e-
Shell N (s[2],p[3],d[10],f[14]= 2·24 e-=21e-
Shell O (s[2].p[3],d[10],f[14],g[18]= 2·25=64e-
E=h-ES
Elettrone fotoelettrico
39
Interazione dei fotoni con la materia: effetto fotoelettricoL’effetto fotoelettrico ha una maggiore probabilità di avvenire quando l’energia del fotone incidente è uguale all’energia di legame dell’elettrone di una Shell K, L, M dell’elemento. Nelle figure viene riportato il coefficiente di attenuazione massico per l’effetto fotoelettrico dal database Xcom del NIST
ML
K
K
40
Interazione dei fotoni con la materia: effetto fotoelettrico
D(Si)=2.33 gr/cm3 D(SiO2)=2.63 gr/cm3 D(Pb)=11.34 gr/cm3
41
Interazione dei fotoni con la materia: effetto fotoelettrico
42
Interazione dei fotoni con la materia: l’effetto fotoelettrico
La lacuna creata dall’elettrone emesso per effetto fotoelettrico può essere occupata da un elettrone di una Shell più esterna con conseguente emissione di un fotone con energia E=ES1-ES2. Tale radiazione viene chiamata radiazione di fluorescenza ed è caratteristica dell’elemento.
Shell K (s[2])= 2·12 e- = 2 e-
Shell L (s[2],p[3])=2·22 e- = 8e-
Shell M (s[2],p[3],d[10]= 2·23 e- = 18e-
Shell N (s[2],p[3],d[10],f[14]= 2·24 e-=21e-
Shell O (s[2].p[3],d[10],f[14],g[18]= 2·25=64e-
E=ES2-ES1
43
Interazione dei fotoni con la materia: l’effetto fotoelettrico
Può accadere che la radiazione di fluorescenza venga assorbita da un elettrone di una Shell più esterna, in questo caso si verifica un secondo effetto fotoelettrico (interno) con conseguente emissione di un elettrone che viene detto elettrone Auger.
Shell K (s[2])= 2·12 e- = 2 e-
Shell L (s[2],p[3])=2·22 e- = 8e-
Shell M (s[2],p[3],d[10]= 2·23 e- = 18e-
Shell N (s[2],p[3],d[10],f[14]= 2·24 e-=21e-
Shell O (s[2].p[3],d[10],f[14],g[18]= 2·25=64e-
Elettrone Auger
44
Richiamo di alcuni concetti di relatività ristretta
2
2
2
1
)(
cv
mcvE
2
2
1
)(
cv
mvvp
Verifichiamo due relazioni fondamentali della relatività ristretta (osservo che nota la massa della particella il secondo membro di ciascuna delle due equazioni è costante)
2cvp
E
42222 cmcpE
Energia totale di una particella Impulso di una particella
Nel caso di un fotone (particella priva di massa che si muove con velocità c) risulta da entrambe le precedenti equazioni che
cp
E
2)0( mcvE 0)0( vp
)( 4222 cmcpE
45
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton: ok
L’effetto Compton dal punto di vista della meccanica quantistica viene schematizzatocome l’urto di un fotone (particella priva di massa con energia Ef=h ove =c/ e impulso pf=Ef/c) con un elettrone che viene ipotizzato inizialmente fermo (E(v=0)=mc2 e p(v=0)=0) e non legato all’atomo: questa approssimazione è corretta se l’energia del fotone è molto maggiore dell’energia di legame dell’elettrone all’atomo.Nell’urto si ha la conservazione dell’energia e del momento totale del sistema fotone-elettrone (per l’elettone ricordiamo che vale la seguente relazione tra energia totale ed impulso E2-p2c2=m2c4) : il fotone viene deviato e diminuisce la sua energia per cui tale urto viene anche detto incoerente.
Fotone (Ef ; pf=Ef/c)
Elettrone (mc2; 0)
Elettrone
Fotone (Ef'; pf'=Ef'/c)
);( 422 pmccp
46
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
Fotone (Ef ; pf=Ef/c)
Elettrone (mc2; 0)
Elettrone
Fotone (Ef'; pf'=Ef'/c)
);( 422 pmccp
(1) Conservazione dell’energia:42222 ' cmcpEmcE ff
(2) Conservazione dell’impulsolungo l’asse x:
coscos'0 ppp ff
(3) Conservazione dell’impulsolungo l’asse y:
sinsin'0 pp f
Dall’equazione (2) ricavo ff ppp cos'cos
47
sin'sin fpp
Dall’equazione (2) ricavo: ff ppp cos'cosInterazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
e faccio i quadrati di entrambi i membri, ottenendo:
Dall’equazione (3) ricavo:
e faccio i quadrati di entrambi i membri, ottenendo:
cos'2)(sin)'(cos)'(sincos 222222222fffff ppppppp
2222 sin)'(sin fpp
Sommo le equazioni membro a membro:
cos'2)(cos)'(cos 22222ffff ppppp
cos'2)'()( 222ffff ppppp
Moltiplico entrambi i membri per c2:
cos'2)'()( 2222ffff cpcpcpcppc
cos'2)'()( 2222ffff EEEEpc
48
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
La prima equazione si può riscrivere come:
Facendo i quadrati di entrambi i membri:4222224222 '22'2)'()( cmcpmcEmcEEEcmEE ffffff
4222
224222
cos'2)'()(
'22'2)'()(
cmEEEE
mcEmcEEEcmEE
ffff
ffffff
42222' cmcpmcEE ff
Ricordando che
cos'2'22'2 22ffffff EEmcEmcEEE
cos'2)'()( 2222ffff EEEEpc
quindi
cos'2'2)'(2 2ffffff EEEEmcEE
)cos1('2)'(2 2 ffff EEmcEE
49
)cos1(')'( 2 ffff EEmcEE
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
)cos1(1
'
)'(2
mcEE
EE
ff
ff
)cos1(1
'
'
' 2
mcEE
E
EE
E
ff
f
ff
f)cos1(
1
'
1
'
12
mcEE ff
)cos1(1
'
1
'
12
mcEE ff
hc
hE f hcE f
1
)cos1(1'
2
mchchc
)cos1(' mc
h
Per un fotone risulta:
quindi:
50
L’apparato sperimentale per l’effetto Compton
)cos1(11
'
12
mcEE ff
c
hhE
)cos1(' mc
h
Lunghezza d’onda Compton: 2.4310-12 m=0.243 Å
Applets:-http://www.lapiazzavirtuale.it/sitohtml/giochi/fisica/ita/compton/compton.htm-http://www.lucevirtuale.net/percorsi/b3/effetto_compton.html
51
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
EsempioDetermina la massima energia dell’elettrone e la minima energia del fotone nel caso di un urto Compton, sapendo che l’energia del fotone incidente vale nel primo casoEf= 5.11 keV e nel secondo caso in cui Ef= 5.11 MeV.
)cos1(11
'
12
mcEE ff
)cos1(11
'
12
mcEE ff
)cos1(11
1'
2
mcE
E
f
f)cos1(
'2
2
f
ff Emc
mcEE
Nel primo caso l’energia del fotone dopo l’urto è minima quando =180°:
keVkeVkeV
keVkeV
Emc
mcE
Emc
mcEE
f
f
f
ff 01.5
11.52511
51111.5
2)cos1('
2
2
2
2
L’energia cinetica dell’elettrone dopo l’urto sarà, per il principio di conservazione dell’energia:
cff EmcEmcE 22 '
keVkeVkeVEEE ffc 1011.501.5'
52
Nel primo caso l’energia del fotone dopo l’urto è minima quando =180°:
MeVMeVMeV
MeVMeV
Emc
mcE
Emc
mcEE
f
f
f
ff 24.0
11.52511.0
511.011.5
2)cos1('
2
2
2
2
cff EmcEmcE 22 '
MeVMeVMeVEEE ffc 87.424.011.5'
Interazione dei fotoni con la materia: effetto Compton
L’energia cinetica dell’elettrone dopo l’urto sarà, per il principio di conservazione dell’energia:
53
Interazione dei fotoni con la materia: l’effetto Compton
D(Si)=2.33 gr/cm3 D(SiO2)=2.63 gr/cm3 D(Pb)=11.34 gr/cm3
54
Interazione dei fotoni con la materia: l’effetto Compton
Silicio
In Silicio: l’effetto fotoelettrico è predominante rispetto all’effetto Compton per energie dei fotoni inferiori a 50 keV, mentre per energie superiori a 70 keV è predominante l’effetto Compton rispetto all’effetto fotoelettrico.
55
Interazione dei fotoni con la materia: lo scattering coerente: ok
Nello scattering coerente l’onda elettromagnetica avente lunghezza d’onda attraversa l’atomo.Il campo elettrico associato all’onda elettromagnetica pone in vibrazione gli elettroni dell’atomo che a loro volta emettono una radiazione con la stessa lunghezza d’onda della radiazione incidente.La sovrapposizione delle onde emesse dagli elettroni dell’atomo genera l’onda elettromagnetica trasmessa. Non essendovi assorbimento di energia da parte degli elettroni dell’atomo l’unico effetto è la deviazione della direzione dell’onda elettromagnetica incidente.
Atomo
56
Interazione dei fotoni con la materia: lo scattering coerente
D(Si)=2.33 gr/cm3 D(SiO2)=2.63 gr/cm3 D(Pb)=11.34 gr/cm3
57
Interazione dei fotoni con la materia: lo scattering coerente
Silicio
In Silicio: il contributo dovuto allo scattering coerente è minimo rispetto al contributo complessivo dovuto all’effetto fotoelettrico e all’effetto Compton..
58
La produzione di coppie elettrone-positrone: okQuando l’energia dei fotoni incidenti è maggiore di 1.022 MeV, il fotone in prossimità del nucleo, a causa del campo delle forze nucleari, può essere assorbito attraverso il meccanismo della produzione di una coppia elettrone-positrone (ricordiamo che l’elettrone ha una massa di 0.511 MeV e carica -1.60210-19 C e che il positrone ha una massa di 0.511 MeV e una carica di +1.60210-19 C).La parte di energia del fotone maggiore di 1.022 MeV viene trasformata in energia cinetica dell’elettrone e del positrone.Il processo in realtà dovrebbe essere considerato come un urto tra il fotone ed il nucleo, ma l’energia trasferita al nucleo risulta trascurabile rispetto all’energia totale dell’elettrone e del positrone.
Fotone (Ef =h>1.022 MeV)
Atomo
Elettrone
Positrone
Ef =Ec,elettrone+ 0.511 MeV + EC, positrone + 0.511 MeV
59
La produzione di coppie elettrone-positrone: ok
Quando l’energia dei fotoni incidenti è maggiore di 2.044 MeV, il fotone in prossimità dell’elettrone di atomo, può essere assorbito attraverso il meccanismo della produzione di una coppia elettrone-positrone a cui si aggiunge il moto dell’elettrone con cui il fotone ha interagito, per cui spesso si parla di tripletto elettrone-positrone-elettrone.
Fotone (Ef =h>1.022 MeV)
Elettrone
Positrone
Elettrone
Positrone
Elettrone originale
Fotone (Ef =h>2.044 MeV)
60
L’annichilazione del positrone: ok
Il Positronio è un sistema costituito da un elettrone e da un positrone, legati insieme a formare un atomo esotico: le orbite delle due particelle e l'insieme dei loro livelli di energia possono essere determinate con il formalismo della meccanica quantistica in modo analogo all’atomo di idrogeno, costituito da un elettrone e da un protone.
61
La produzione di coppie elettrone-positrone
62
La produzione di coppie elettrone-positrone: ok
In Silicio: la produzione di coppie diventa predominante rispetto all’effetto Compton per energie dei fotoni maggiori di 10 MeV.
Silicio
63http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html
Photon (X-rays and -rays) attenuation coefficients: ok
c
N=N0e-cs
64
Il coefficiente di attenuazione massico in Silicio: ok
N=N0e-cs
65
Il coefficiente di attenuazione massico: ok
D(Si)=2.33 gr/cm3 D(SiO2)=2.63 gr/cm3 D(Pb)=11.34 gr/cm3
N=N0e-cs
66
Photon (X-rays and -rays) interaction with matter: ok
Relative importance of photoelectric, Compton and pair production as a function of the photon energy.
Z=14
67Al seguente indirizzo WEB: http://www-nds.iaea.org/reports/nds-195.htm
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia: Xmudat
Il programma può essere scaricato liberamente dal sito WEB dell’IAEA (International Atomic Energy Agency)
68Al seguente indirizzo WEB: http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html
Interazione dei fotoni (raggi X e ) con la materia: XcomIl programma può essere eseguito collegandosi al sito del NIST (National Institute of Standard and Technology)
69
Photon (X-rays and -rays) interactions with matter: ok
Schematic drawing of three processes through which photons interact with matter: a) photoelectric effect; b) Compton scattering; c) pair production.
70
Electron interaction with matter: ok
Electron interaction with matter: (a) delta rays;(b) characteristic radiation;(c) Bremmstrahlung radiation (electron-nucleus interaction);(d) Photoelectric effect.
(a) (b) (c) (d)
71The interaction of photons and electrons with matter.
Photon and electron interaction with matter: ok
72
2L.Dose Build-up and Dose Enhancement
73
Interazione dei fotoni con la materia
Il trasferimento di energia dai fotoni alla materia avviene in 2 fasi:1) Nella prima fase i fotoni interagiscono con gli elettroni degli atomi: un elettrone di un atomo, in tale interazione con il fotone, può acquisire un’energia sufficiente all’eccitazione o alla ionizzazione. Nel caso della ionizzazione l’elettrone viene emesso dall’atomo e si muove nel mezzo. Tale elettrone viene chiamato elettrone primario:L’energia che il fascio di fotoni incidenti cede agli elettroni primari per unità di massa si chiama Kerma (il Kerma avviene in un punto):
2) Nella seconda fase l’elettrone primario muovendosi nel mezzo perde la propria energia a causa dell’interazione con gli altri elettroni degli atomi del mezzo, causando eccitazione e ionizzazione ed emissione di fotoni per Bremsstrahlung. L’energia rilascia dall’elettrone primario per eccitazione e ionizzazione causa l’assorbimento di energia da parte del materiale e quindi la dose (la dose avviene lungo il percorso dell’elettone primario e di altri elettroni secondari e devono essere escluse le emissioni di radiazione per Bremsstrahalung):
dm
dEKerma primarioeh
dm
dE
dm
dE
dm
dEDose assorbitaneionizzazioeeeccitazione primarioprimario
Kerma
Dose
74
Interazione dei fotoni con la materia
dm
dEDose
dm
dE
dm
dE lungBremsstrahelungBremsstraheassorbita primarioprimario
dm
dE
dm
dE
dm
dE
dm
dEKerma
alungBremsstraheneionizzazioeeeccitazioneeh primarioprimarioprimarioprimario
dm
dEDoseKerma
lungBremsstraheprimario
75
Interazione dei fotoni con la materiaCaso A) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore del materiale. Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni.-Il numero di elettroni primari messi in moto per unità di lunghezza non varia con la profondità del materiale: il Kerma è quindi costante. La dose, che è invece l’energia assorbita dal materiale a causa dell’eccitazione e della ionizzazione degli elettroni del mezzo indotta degli elettroni primari, aumenta da zero fino a raggiungere un valore massimo che coincide con il valore del Kerma, perché gli elettroni primari hanno un range finito di percorrenza nel materiale.La regione di build-up è la regione in cui la dose cresce da zero al valore massimo all’aumentare della profondità del materiale.La regione di equilibrio elettronico è la regione in cui considerando un volume infinitesimo il numero di elettroni primari entranti è uguale al numero di elettroni primari uscenti.
76
Interazione dei fotoni con la materiaCaso B) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente dall’interfaccia vuoto-materiale e viene attenuato nell’attraversare lo spessore del materiale. Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengono emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni.-A causa dell’attenuazione della radiazione incidente all’aumentare della profondità del materiale, il numero di elettroni primari messi in moto per unità di lunghezza diminuisce con la profondità nel mezzo: il Kerma non è quindi costante ma decresce. La dose, che è invece l’energia assorbita dal materiale a causa dell’eccitazione e della ionizzazione degli elettroni del mezzo indotta degli elettroni primari, aumenta da zero fino a raggiungere il valore massimo che è leggermente maggiore del valore del Kerma. Poiché il Kerma diminuisce all’aumentare della profondità del mezzo e gli elettroni primari hanno un range finito di percorrenza nel materiale: la dose poi diminuisce ma il suo valore rimane leggermente superiore al Kerma.La regione di build-up è la regione in cui la dose cresce da zero al valore massimo all’aumentare della profondità del materiale.Poiché la regione di equilibrio elettronico è la regione in cui considerando un volume infinitesimo il numero di elettroni primari entranti è uguale al numero degli elettroni primari uscenti, nella regione in cui la dose diminuisce non abbiamo un equilibrio elettronico in senso stretto.
77
Interazione dei fotoni con la materia (qualitativo)
Caso A) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A).Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
A
78
Dose Build-up (qualitativo)
Caso A) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A).Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
A
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
4 8 8 8 8 8 8 8
A1: Dose build-upIl Kerma è costante
79
Interazione dei fotoni con la materia (qualitativo)
Caso C) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A) e lo spessore tB di materiale (B) che sono uguali.Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;-il materiale A assorbe per unità di lunghezza il doppio dei fotoni del materiale B.-il range degli elettroni creati nel materiale A è la metà dello spessore del materiale A e B.-il range degli elettroni creati nel materiale B è la metà dello spessore del materiale A e B.
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
A B
80
Dose Enhancement (qualitativo)
Caso C) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A) e lo spessore tB di materiale (B) che sono uguali.Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;-il materiale A assorbe per unità di lunghezza il doppio dei fotoni del materiale B.-il range degli elettroni creati nel materiale A è la metà dello spessore del materiale A e B.-il range degli elettroni creati nel materiale B è la metà dello spessore del materiale A e B.
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
A B
4 8 8 8 7 5 4 4
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
A1: Dose build-up B1-B2: Dose enhancement Il Kerma è costante
81
Interazione dei fotoni con la materia (qualitativo)
Caso D) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A) e lo spessore tB di materiale (B) che sono uguali.Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;-il materiale A assorbe per unità di lunghezza il doppio dei fotoni del materiale B.-il range degli elettroni creati nel materiale A è la metà dello spessore del materiale A e B.-il range degli elettroni creati nel materiale B è la metà dello spessore del materiale A e B.
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
AB
82
Dose Build-up (qualitativo)
Caso D) Il fascio di fotoni (monocromatico) incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciavuoto-materiale e non viene significativamente attenuato nell’attraversare lo spessore tA del materiale (A) e lo spessore tB di materiale (B) che sono uguali.Ipotizziamo che:-i fotoni vengano assorbiti nell’urto con gli elettroni primari e che questi vengano emessi con la stessa energia della radiazione incidente;-gli elettroni primari vengano emessi nella direzione di incidenza del fascio di fotoni ;-il materiale A assorbe per unità di lunghezza il doppio dei fotoni del materiale B.-il range degli elettroni creati nel materiale A è la metà dello spessore del materiale A e B.-il range degli elettroni creati nel materiale B è la metà dello spessore del materiale A e B.
Quale è secondo voi l’andamento del Kerma e della Dose?
AB
2 4 4 4 5 7 8 8
B1 B2 B3 B4 A1 A2 A3 A4
B1: Dose build-up A1-A2: Dose build-up Il Kerma è costante
83
Interazione dei fotoni con la materia (qualitativo)Rilassamento delle ipotesi
Una sorgente di fotoni da 1.25 MeV (Co60) cilindrica di diametro 1 cm e altezza 1 cm è posta in aria ad 1 metro da un campione costituito da un parallelepipedo di Piombo di area 4cm2 e di spessore 0.5 mm posto su un parallelepipedo di Alluminio di area 9 cm2 e di spessore 1 mm. Il fascio di fotoni non monocromatico incide sul campione perpendicolarmente all’interfacciaaria-materiale e viene attenuato nell’attraversare lo spessore del Piombo e lo spessore di Alluminio. Tenendo in considerazione anche l’attenuazione e lo scattering dei fotoni nell’aria, nel Piombo e nell’Alluminio e ricordando che:-i fotoni interagiscono con gli elettroni degli atomi per effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie e possono quindi anche essere deviati dalla direzione di incidenza e variare la loro energia;-quindi anche gli elettroni primari hanno una distribuzione angolare, in energia e per per quanto riguarda il range di penetrazione in aria, nel Piombo e nell’Alluminio;-gli elettroni primari possono perdere energia anche per Bremsstrahlung.determinare l’andamento dell Kerma e della dose nell’aria e nei materiali
In questo caso il problema è complesso e può essere affrontato solo con delle simulazioni.
1 m (aria)
84
Interazione dei fotoni con la materiaIrraggiando con fotoni da Co60 (1.25 MeV) uno strato costituito da:1 cm di muscolo/ 1 cm di osso/ 1 cm di muscolo,tenendo presente che la radiazione viene attenuata all’aumentare della profondità nel mezzo otteniamo che:-il Kerma diminuisce e passando dai diversi materiali si hanno delle discontinuità nei valori del Kerma;-poiché gli elettroni primari messi in moto dai fotoni da Co60 hanno un range elevato (0.5 mm per il muscolo e 0.5 mm per l’osso), si ha una netta regione di build-up successivamente alla quale la dose assorbita è maggiore del Kerma
85
Interazione dei fotoni con la materiaIrraggiando con fotoni da 50 keV uno strato costituito da:1 cm di muscolo/ 1 cm di osso/ 1 cm di muscolo,tenendo presente che la radiazione viene attenuata all’aumentare della profondità nel mezzo otteniamo che:-il Kerma diminuisce e passando dai diversi materiali si hanno delle discontinuità nei valori del Kerma;-poiché gli elettroni primari messi in moto dai fotoni da Co60 hanno un range minimo (0.004 cm per il muscolo e 0.003 cm per l’osso), non si ha una netta regione di build-up.
86
Interazione dei fotoni con la materiaIrraggiando con fotoni un componente MOSFET, l’ossido di gate del transistor può essere schematizzato come uno spessore di SiO2 interposto fra uno spessore di Alluminio e uno spessore di Silicio:-la dose è maggiore nell’Alluminio rispetto al Silicio che a sua volta è maggiore rispetto al SiO2;
-al diminuire dello spessore dell’ossido, gli effetti del "Dose enhancement" nel SiO2 possono diventare rilevanti.
87
Interazione dei fotoni con la materia
Irraggiando un componente elettronico (in aria) con una sorgente di raggi da con Co60 è necessario porre il dispositivo in un contenitore di Pb+Al dello spessore di (1.5 mm – 0.7 mm) , al fine di:-porsi nelle condizioni di quasi equilibrio elettronico;-minimizzare l’aumento di dose dovuto allo scattering della radiazione di bassa energia.
Norme ESA - ESCC Basic Specification No. 22900TOTAL DOSE STEADY-STATE IRRADIATION TEST METHOD
"Test specimens shall be surrounded by equilibrium material which will minimise dose enhancement from low-energy scattered radiation by producing charged-particle equilibrium. If it can be demonstrated that low-energy scattered radiation does not cause dosimetry errors due to dose enhancement, then the equilibrium material may be omitted. For equilibrium, the use of a container of at least 1.5 mm Pb with an inner lining of at least 0.7 mm Al is recommended".
https://escies.org/ReadArticle?docId=229
88
2M.ESA ESCC Basic Specification No. 22900
89
ESA ESCC Basic Specification 22900
Disponibili sul sito WEB: https://escies.org/ReadArticle?docId=229
90
ESA ESCC Basic Specification 22900
91
ESA ESCC Basic Specification 22900
92
ESA ESCC Basic Specification 22900
93
ESA ESCC Basic Specification 22900
94
ESA ESCC Basic Specification 22900
95
ESA ESCC Basic Specification 22900
96
ESA ESCC Basic Specification 22900
97
ESA ESCC Basic Specification 22900
98
ESA ESCC Basic Specification 22900
99
ESA ESCC Basic Specification 22900
100
ESA ESCC Basic Specification 22900
101
ESA ESCC Basic Specification 22900
102
ESA ESCC Basic Specification 22900
103
ESA ESCC Basic Specification 22900
104
ESA ESCC Basic Specification 22900
105
2N.Il Programma "SPENVIS"
106
SPENVIS
Sito WEB: http://www.spenvis.oma.be/
107
Il menù del programma "SPENVIS"
108
SPENVIS: i menù
109
SPENVIS: i menù
110
SPENVIS: i menù
111
SPENVIS: i menù
112
Satellite in orbita circolare equatorialeall’altitudine di 6400 km
113
Le particelle intrappolate nella magnetosfera terrestre: protoni
Flusso omnidirezionale di protoni (protoni/cm2s) con energia >10 MeV intrappolato nelle fasce di Van Allen, dal modello AP8 al minimo dell’attività solare. La mappa evidenzia le coordinate magnetiche in unità di misura di raggi terrestri.
114
Le particelle intrappolate nella magnetosfera terrestre: elettroni
Flusso omnidirezionale di elettroni (elettroni/cm2s) con energia >1 MeV intrappolato nelle fasce di Van Allen, dal modello AE8 al massimo dell’attività solare. La mappa evidenzia le coordinate magnetiche in unità di misura di raggi terrestri.
115
SPENVIS: spacecraft trajectories (1)
116
SPENVIS: spacecraft trajectories (2)
Selection: World map of the altitudeResult: World map of the orbit
117
SPENVIS: spacecraft trajectories (3)
Selection: 3D view of the altitudeResult: 3D-View of the orbit
118
SPENVIS: spacecraft trajectories (4)
Selection: Orbit parameters as a function of timeResult: Orbit parameters as a function of time
20 orbits
119
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (1)
120
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (2)
Selection: Proton spectra with linear energy scaleResult: Averaged spectra of trapped protons
Prot
oni/
(cm
2 ·s)
con
ene
rgia
mag
gior
e di
E
121
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (3)
Ele
ctro
ni/(
cm2 ·
s) c
on e
nerg
ia m
aggi
ore
di E
Selection: Electron spectra with linear energy scaleResult: Averaged spectra of trapped electrons
122
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (4)
Selection: Word map of the proton flux with energy E>10 MeVResult: World map of the trapped proton flux
Prot
oni/
(cm
2 ·s)
con
ene
rgia
mag
gior
e di
10
MeV
123
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (5)
Selection: Time plot of the proton flux with energy E>10 MeVResult: Trapped proton flux as a function of orbital time
Prot
oni/
(cm
2 ·s)
con
ene
rgia
mag
gior
e di
10
MeV
124
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (6)
Selection: 3D view of the proton flux with energy E>10 MeVResult: 3D-View of the trapped proton flux with energy E>10 MeV
125
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (7)
Selection: VRML view of the proton flux with energy E>10 MeVResult: VRML representation of the trapped proton flux
126
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (8)
Selection: Word map of the electron flux with energy E>1 MeVResult: World map of the trapped electron flux
Ele
ctro
ni/(
cm2 ·
s) c
on e
nerg
ia m
aggi
ore
di 1
MeV
127
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (9)
Selection: Time plot of the electron flux with energy E>1 MeVResult: Trapped electron flux as a function of orbital time
Ele
ttro
ni/(
cm2 ·
s) c
on e
nerg
ia m
aggi
ore
di 1
MeV
128
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (10)
Selection: 3D view of the electron flux with energy E>1 MeVResult: 3D-View of the trapped electron flux with energy E>1 MeV
129
SPENVIS: trapped proton and electron fluxes (11)
Selection: VRML view of the electron flux with energy E>1 MeVResult: VRML representation of the trapped electron flux
130
SPENVIS: short term solar particles (1)
131
Selection: proton spectrum with linear energy scaleResult: Solar proton flux spectra
Prot
oni/
(m2 ·
s·sr
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
SPENVIS: short term solar particles (2)
132
Selection: heavy ion spectrum for Z=2 with linear energy scaleResult: Solar heavy ion flux spectra
SPENVIS: short term solar particles (2)
He/
(m2 ·
s·sr
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
133
SPENVIS: long term solar particles (1)
134
Selection: Mission averaged proton spectrum with linear energy scaleResult: Solar proton fluence spectra
Prot
oni/
(cm
2 ·s)
con
ene
rgia
mag
gior
e di
E
SPENVIS: long term solar particles (2)
135
Selection: Mission averaged heavy ion spectrum for Z=2 with linear energy scaleResult: Solar heavy ion fluence spectra
He/
cm2 c
on e
nerg
ia m
aggi
ore
di E
SPENVIS: long term solar particles (3)
136
SPENVIS: Galactic cosmic rays (1)
137
Prot
oni/
(m2 ·
s·sr
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
SPENVIS: Galactic cosmic rays (2)
138
Fe/(
m2 ·
s·sr
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
SPENVIS: Galactic cosmic rays (3)
139
SPENVIS: ionizing dose models (1)
140
Dose per la durata della missione (365 giorni)
SPENVIS: ionizing dose models (2)
141
SPENVIS: non ionizing dose models (1)
142
SPENVIS: non ionizing dose models (2)
p/(c
m2 )
con
ene
rgia
mag
gior
e di
E
143
SPENVIS: non ionizing dose models (3)
144
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (1)
See next slide
Protoni fasce di Van AllenRaggi cosmici solari (worst case)Raggi cosmici galattici
145
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (2)
146
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) proton spectrafrom protons trapped in the Van Allen Belts
and from protons in Galactic Cosmic Rays and Solar Events
Prot
oni/
(m2 ·
sr·s
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
Contributo dovuto ai protoniintrappolati nelle fasce di Van Allen
Contributo dovuto ai protoni provenienti dai raggi cosmici
solari e galattici
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (3)
147
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) ion spectra for p (Z=1, n=1)from Galactic Cosmic Rays (GCC) and Solar Event Particles (SEP)
Fe
ions
/(m
2 ·sr
·s)
con
ener
gia
mag
gior
e di
E in
MeV
/n
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (4)
148
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) LET spectrafrom Galactic Cosmic Rays (GCC) and Solar Event Particles (SEP)
Par
tice
lle/
(m2 ·
sr·s
) co
n L
ET
mag
gior
e de
l val
ore
indi
cato
(M
eV·c
m2 /
g)
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (5)
149
SPENVIS: Short term SEU and LET spectra (6)
Dati
Ions Z>1 with the Weibul curve
Protons Z=1 with the Bendel curve
1 anno = 365 giorni =31536000 sec
/365 /3153600
150
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (1)
See next slide
Protoni fasce di Van AllenRaggi cosmici solari (ESP-PSYCHIC)Raggi cosmici galattici
151
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (2)
152
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) proton spectrafrom protons trapped in the Van Allen Belts
and from protons in Galactic Cosmic Rays and Solar Events
Prot
oni/
(m2 ·
sr·s
) co
n en
ergi
a m
aggi
ore
di E
Contributo dovuto ai protoniintrappolati nelle fasce di Van Allen
Contributo dovuto ai protoni provenienti dai raggi cosmici
solari e galattici
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (3)
153
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) ion spectra for p (Z=1, n=1)from Galactic Cosmic Rays (GCC) and Solar Event Particles (SEP)
Fe
ions
/(m
2 ·sr
·s)
con
ener
gia
mag
gior
e di
E in
MeV
/n
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (4)
154
Spacecraft shielded (0.5 cm Al) LET spectrafrom Galactic Cosmic Rays (GCC) and Solar Event Particles (SEP)
Par
tice
lle/
(m2 ·
sr·s
) co
n L
ET
mag
gior
e de
l val
ore
indi
cato
(M
eV·c
m2 /
g)
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (5)
155
SPENVIS: Long term SEU and LET spectra (6)
Dati
Ions Z>1 with the Weibul curve
Protons Z=1 with the Bendel curve
156
Attivita individuale:Satellite in orbita geostazionaria equatoriale
all’atitudine di 36000 km
157
SPENVIS: spacecraft trajectories (2)
158
Visualizza i grafici e ripercorri il percorso svolto . . .
159
Test
160
1) Descrivi il funzionamento di un tubo a raggi X ed il suo spettro di emissione.
2) Quali sono le caratteristiche del Co60?
3) Che cose’è la radiazione di Bremsstrahlung?
4) Che cos’è il coefficiente di attenuazione lineare, quale è la sua unità di misura e a cosa serve?
5) Che cos’è il coefficiente di attenuazione massico, quale è la sua unità di misura e a cosa serve?
6) Cos’è l’effetto fotoelettrico e a quali energie è predominante per il Silicio?
7) Cos’è l’effetto Compton e a quali energie è predominante per il Silicio?
8) Cos’è lo scattering coerente e a quali energie è predominante per il Silicio?
9) Cos’è la produzione di coppie e a quali energie è predominante per il Silicio?
Test: domande 1-9
161
10) Che cosa si intende per "Dose Build-up"?
11) Che cosa si intende per "Dose Enhancement"?
12) Che cosa sono le norme ESA ESCC Basic Specification 22900? Rispondi descrivendo sinteticamente anche uno dei due Flow-Chart e riportando le caratteristiche dell’irraggiamento presenti nel testo ma non indicate nel Flow-Chart.
13) Che cos’è il programma SPENVIS? Descrivi un suo possibile utilizzo ai fini di valutare gli effetti delle radiazioni sui componenti elettronici per le applicazioni spaziali.
Test: domande 10-13