rosa maria montereali laboratorio micro e nanostrutture...
TRANSCRIPT
Nuovi rivelatori di radiazioni ionizzanti
Rosa Maria Montereali
Laboratorio Micro e Nanostrutture per la Fotonica
UTAPRAD - MNF
ENEA C.R. Frascati
Tel. +39-06 94005296
Mobile: +39-334 6315245
V. E. Fermi, 45
P.O.Box 65
00044 Frascati (Rome), Italy
ENEA C.R. Frascati
25 Maggio 2010
2
NuoviNuovi rivelatoririvelatori didi radiazioniradiazioni ionizzantiionizzanti basatibasati susu fluorurofluoruro didi litiolitio
Ricerca e sviluppo di
nuovi rivelatori di radiazioni ionizzanti
basati sulla fotoluminescenza di
difetti puntiformidifetti puntiformi in strati sottili di fluoruro di strati sottili di fluoruro di
litio (LiF)litio (LiF)
Cristalli di LiF contenenti centri di colore
indotti da raggi gamma.
Cristalli (anche drogati con impurezze) di LiF colorati con
radiazioni ionizzanti penetrantiradiazioni ionizzanti penetranti
-- raggi gamma da raggi gamma da 6060CoCo
- elettroni di alta energia, 3elettroni di alta energia, 3--5 5 MeVMeV
Cristalli e film sottili (singolo strato e multistrati) di LiFcolorati con radiazioni ionizzanti poco penetrantiradiazioni ionizzanti poco penetranti
-- Elettroni di bassa energia (cannone elettronico 0.5Elettroni di bassa energia (cannone elettronico 0.5––3 keV)3 keV)
-- Elettroni di bassa energia (SEM 5Elettroni di bassa energia (SEM 5--20 keV) 20 keV)
-- Ioni leggeri (Ioni leggeri (HeHe++ 11--2 2 MeVMeV) ) Film di LiF contenenti centri di colore
indotti da elettroni di bassa energia.
3
CentriCentri didi colorecolore nelnel LiFLiF
300 400 500 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ass
orb
ime
nto
(n
orm
.)Lunghezza d'onda (nm)
F2
F3
+
Fluoruro di Litio (LiF): materiale isolante sensibile alle
radiazioni, ampiamente utilizzato in dosimetriadosimetria.
400 600 800 1000 12000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
OS
L (
no
rm.)
Lunghezza d'onda (nm)
F2
F3
+
Centri di Colore (CC): difetti elettronici puntiformi, caratterizzati da efficienti e larghe
bande di emissione nel visibile e nel NIR, adatti per realizzazione di laser a laser a statostato solidosolido.
4
Deposizione di film di LiF per evaporazione termicaDeposizione di film di LiF per evaporazione termica
Sistema di pompaggio
Oscillatore al quarzo
Piastra
portasubstrati
crogiolo
Parametri di deposizione
Pressione < 10-6 mbar
Rate di deposizione: 0.5 ÷ 2 nm/s
Spessore: fino a 6 µm
Temperatura substrato: 30 ÷ 350 °C
Film policristallini di LiF sono cresciuti mediante evaporazione termica su substrati amorfiamorfi
(vetro, silice,…), cristallinicristallini (cristalli di LiF, NaF, MgF2, silicio,…) e plasticiplastici. Le proprietà
strutturali, morfologiche ed ottiche dei film sono fortemente dipendenti dalla natura del substrato
e dai parametri di deposizione, e possono essere controllate. L’efficienza di formazione dei difetti
puntiformi e’ maggiore nei film, quindi l’efficienza di rivelazione e’maggiore.
5
Crescita, colorazione e caratterizzazione di film di LiFCrescita, colorazione e caratterizzazione di film di LiF
� La fotonicafotonica e’ il campo della Scienza e Tecnologia che abbraccia la generazione, la
manipolazione, la trasmissione, la rivelazione e l’utilizzazione della luce.
� L’obiettivo principale della fotonicafotonica e’ la miniaturizzazione dei dispositivi ottici;
� il fluoruro di litio, LiF, e’ un materiale sensibile alle radiazioni ionizzanti che ospita CC
caratterizzati da ampiaampia accordabilitaaccordabilita’’ ed elevataelevata efficienzaefficienza quanticaquantica ad RT.
Abbiamo realizzato dispositivi ottici attivi miniaturizzati basati su CC in cristalli e film di LiF
Guide d’onda attive Microcavita’ ottiche Sorgenti puntiformi
R.M. Montereali, A. Mancini,
G.C. Righini, S. Pelli, Opt.
Commun. 153, 223 (1998).
S. K. Sekatskii, G. Dietler, F.
Bonfigli, S. Loreti, T. Marolo, R.
M. Montereali, J. Lum. 122-123,
362 (2007).
A. Belarouci, F. Menchini, H.
Rigneault, B. Jacquier, R.M.
Montereali, F. Somma, P.
Moretti, Opt. Commun. 189,
281 (2001).
MicroMicro--sorgentisorgenti luminoseluminose basatebasate susu CC CC nelnel LiFLiF (1988 (1988 --
Tecnologia innovativa di rivelazione di immagini micrometriche e sub-micrometriche*
prodotte mediante radiazione X di energia compresa tra 10 eV e 2 keVradiazione X di energia compresa tra 10 eV e 2 keV, basata sulla
fotoluminescenza di difetti puntiformi in strati sottili di fluoruro di litio (LiF), caratterizzata
- altissima risoluzione spaziale
- ampio campo di vista
- elevata dinamica dei contrasti
- estrema maneggevolezza e versatilita’
per uso scientifico ed industriale
-- fotonica e nanotecnologiefotonica e nanotecnologie
-- scienza dei materiali e caratterizzazione scienza dei materiali e caratterizzazione
di dispositividi dispositivi
-- diagnostica di processi e caratterizzazione diagnostica di processi e caratterizzazione
di sorgentidi sorgenti--X brillantiX brillanti
-- anticontraffazioneanticontraffazione
-- microradiografiamicroradiografia e microscopiae microscopia--X per X per
imagingimaging biobio--medicalemedicale
2 mm
* Brevetto ENEA n° TO2002A000575, “Metodo di rivelazione di
immagini micrometriche e sub-micrometriche mediante irraggiamento di
una maschera o di un campione biologico con radiazioni ionizzanti”,
inventori: G. Baldacchini, R.M. Montereali, F. Bonfigli, F. Flora, A. Pace,
A.Y. Faenov, T. Pikuz, L. Reale, internazionalizzato con la ditta italiana
FIN.TECH s.r.l., N. WO2004/005906 A1.
Micro-radiografia di ala di libellula (Pyrrhesoma
nymphula) su film di LiF di spessore 2µm al microscopio
ottico in fluorescenza sotto pompaggio con luce blu,
irraggiamento presso sorgente-X LPP del Lab. Eccimeri,
ENEA C.R. Frascati.
RivelatoriRivelatori didi immaginiimmagini per per raggiraggi--X X basatibasati susu CC CC nelnel LiFLiF (2002 (2002 ––
8
PerchePerche’’ un nuovo rivelatore di immagini per raggiun nuovo rivelatore di immagini per raggi--X?X?
Microlitografia: a 13.5 nm nell’EUV secondo la roadmap della microelettronica
Microscopia-X nella Water Window: diagnostica di immagini in campo biomedico
Risoluzione spaziale intrinseca ~ nm
Processo di scrittura tramite metodi semplici: a contatto e/o diretta
Nessuna necessita’ di sviluppo ed insensibile alla luce ambiente
Semplicita’ del processo di lettura ottica
EUV:
20 < hν < 300 eVSXR:
0.3 < hν < 3 keV
WW : 4.4 - 2.3 nm
(0.28 - 0.53 keV)
SS--H XH X--rayray
(8(8--10 keV)10 keV)
Sorgente X Ottiche per raggi-XRivelatore per
raggi-X
WW
EUVL
Film di PMMA spesso 0.5
µmsu substrato di Si (5x5)
mm2 , commerciale
LiF film spesso 3 µm su
substrato di Si (5x5) mm2
cresciuto all’ENEA C.R.
Frascati.
RivelatoriRivelatori didi immaginiimmagini ad ad elevataelevata sensibilitasensibilita’’
Film
Crystal
10
MicroscopiaMicroscopia confocaleconfocale a a scansionescansione laser per imaginglaser per imaging
Dal 2005 e’ stato acquisito un microscopio confocale a
scansione Nikon Eclipse C1-80i equipaggiato con un laser ad
Argon Coherent INNOVA90, che permette la lettura ottica
della PL, con risoluzione spaziale di circa 200 nm.
Objectives: 20x/0.5 N.A., 40x/0.75
N.A., 60x/1.4 N.A.
Transmission mode: Dark Field and
Phase Contrast facilities
Fluorescent mode: HBO 100 W
mercury lamp source.
Digital imaging with 10 bit camera
Z-stack: max sensitivity 100 nm.
Radiografia-X del
polline di Olea
europea su un
cristallo di LiF
lucidato osservata al
microscopio
confocale (NIKON)
mediante misura
della PL, eccitando
con la riga 458 nm
(irraggiamento
eseguito presso
Dip.Fisica, Univ. Tor
Vergata)
11
Laser Plasma Sources (LPP)Excimer Laser Lab. (ENEA Frascati); (20 eV - 2 keV)
University of Rome “Tor Vergata”; (20 eV - 2 keV)
Modalita’ a contatto
in contrasto di assorbimento
0.66
0.81
0.96
1 2 3 4 5
500 µµµµm
∼200 nm
Olea europaea (var. ascolana) pollen Mouse macrophage
RAW 264.7 (from mouse lung)
Chrorella algae
∼ 75 nm
CLSM
SNOM
G.Baldacchini, F.Bonfigli, F.Flora, R.M.Montereali, D.Murra, E.Nichelatti, A.Faenov,
T.Pikuz, High-contrast Photoluminescent Patterns in Lithium Fluoride Crystals Produced by
Soft X-rays from a Laser Plasma Source, Appl. Phys. Lett. 80,25 (2002)4810-4812
Rivelatori di LiF per sorgenti X laserRivelatori di LiF per sorgenti X laser--plasmaplasma
12
CNR-IFN Rome; 8.042 keV, 0.15418 nmModalita’ a contatto
in contrasto di assorbimento
Zone Plate
100 µµµµm
CLSM
Human hair bulb Photos scandens leaf
Dried onion cataphyll Fresh onion cataphyll
S.Almaviva, F.Bonfigli, I.Franzini, A.Lai, R.M.Montereali, D.Pelliccia, A.Cedola,
S.Lagomarsino, Hard X-Ray Contact Microscopy with 250 nm Spatial Resolution using a
LiF Film Detector and a Tabletop Microsource, Appl. Phys. Lett. 89(2006)54102-4
Rivelatori di LiF per sorgenti X convenzionali: tubi a raggiRivelatori di LiF per sorgenti X convenzionali: tubi a raggi--X (2006 X (2006 --
13
Campione biologico: in vivo macrofago di topo RAW 264.7
(da polmone di topo) Rivelatore:: cristallo LiF (5x5x1)mm3,
area irraggiata: (250x250) µm2 Sorgente X: LPP Univ. Tor Vergata
N shot = 1, Bersaglio = Y
Macrophage Attacking E.coli
(SEM x8,800) © Dr Dennis Kunkel
http://pathmicro.med.sc.edu/ghaffar/innate.htm
MicroscopiaMicroscopia--X X in vivoin vivo di macrofagidi macrofagi
F.Bonfigli, A.Faenov,
F.Flora, M.Francucci,
P.Gaudio, A.Lai,
S.Martellucci,
R.M.Montereali, T.Pikuz,
L.Reale, M.Richetta,
M.A.Vincenti and
G.Baldacchini, High-
Resolution Water Window X-
Ray Imaging of In Vivo Cells
and Their Products Using LiF
Crystal Detectors,
Microscopy Research and
Techniques 71,1(2008)35-41
14
Vincitore della 3° Edizione Premio di Laurea Giulio Natta
L’Ing. Ivano Franzini, laureato in Ingegneria
Elettronica presso l’Universita’ di Roma Tre il
06/10/2006 con votazione 110/110eLode, discutendo
la tesi ENEA n.2004/0087, sul tema “Difetti
puntiformi in materiali isolanti prodotti tramite
tecniche litografiche” di cui sono stata tutor, e’
risultato vincitore della Terza Edizione del Premio
di Laurea Giulio Natta, intitolato all’illustre
ricercatore italiano premio Nobel per la chimica nel
1963. Il premio si rivolge a laureati in numerose
discipline scientifiche, autori di una tesi su temi
inerenti lo sviluppo e l’impiego di componenti e
sistemi fotonici per l’industria, la strumentazione e
la sensoristica contenente nei riferimenti bibliografici
richiami a documenti brevettali. Il bando e’ inserito
in un programma di comunicazione 2006-2007 che
l’UIBM ha inteso realizzare allo scopo di diffondere il
sistema della proprieta’ industriale e di incrementarne
l’utilizzazione, sotto l’auspicio del Ministero dello
Sviluppo Economico. La tesi, a carattere sperimentale,
ha riguardato la realizzazione, caratterizzazione e
miglioramento di un rivelatore di immagini ai raggi- X
basato su Fluoruro di Litio.
La tesi si e' svolta principalmente presso
il Laboratorio Laser a Stato Solido &
Spettroscopia del C.R. ENEA di
Frascati, nell’attivita’ di ricerca,
sviluppo e valorizzazione del Brevetto
ENEA n.514, deposito nazionale N.
TO2002A000575, depositato presso
UIBM di Roma il 02/07/02, inventori G.
Baldacchini, R.M. Montereali, F.
Bonfigli, F. Flora, A. Pace, A.Y. Faenov,
T. Pikuz, L. Reale.
Neutroni termici
66LiLi
TT
αααααααα
nn
EETritiumTritium = 2.73 = 2.73 MeVMeV
EEαααααααα
= 2.06 = 2.06 MeVMeV
n + n + 66Li Li →→ Trizio + Trizio + αααααααα
Avviene nel film di 6LiF, viene
rivelata la singola particella α.
Commessa di ricerca FUS per la deposizione di film di LiF su rivelatori di diamante CVD per la
realizzazione di rivelatori di neutroni termici per il JET.
• Un film sottile di LiF arricchito in 6Li (>95%) e’
stato depositato per evaporazione termica sul catodo
di Al di rivelatori di neutroni basati su cristalli
singoli di diamante cresciuti per CVD.
• I neutroni termici danno luogo alla reazione 6Li(n,T)α. Entrambi i frammenti penetrano nel film
di diamante dando luogo ad un doppio picco.
• La tecnica e’ compatibile con differenti rivelatori di
neutroni a stato solido (Si, diamante, fibre
scintillanti, etc.).
La rivelazione di neutroni termici trova applicazioni in
• energetico nucleare (fusione, produzione di Trizio in ITER,
fissione, … )
• medicina nucleare (misure di dose equivalente in fisica della
radiazione e BNCT, caratterizzazione di fasci)
• prevenzione (scorie radiattive, …
Film di LiF arricchito per rivelatori di neutroni termici (2007Film di LiF arricchito per rivelatori di neutroni termici (2007--
AcknowdelegmentsAcknowdelegments
ENEA C.R. Frascati
Solid State Laser Laboratory
Dr. S. Almaviva
Dr. G. Baldacchini
Dr.ssa F. Bonfigli
Dr. I. Franzini
Dr.ssa M.A. Vincenti
Excimer Laser Laboratory
Dr.ssa S. Bollanti
Dr. P. Di Lazzaro
Dr. F. Flora
Dr. L. Mezi
Dr. D. Murra
Biology Laboratory
Dr.ssa A. Lai
ENEA C.R. Casaccia
Dr. E. Nichelatti
Dip. Fisica Universita’ Roma Tor Vergata
Prof. P. Del Gaudio
Prof. S. Martellucci
Prof.ssa M. Richetta
Dip. Fisica Universita’ dell’Aquila
Dr.ssa L. Reale, ENEA guest
IFN-CNR Roma
Dr.ssa A. Cedola
Dr. S. Lagomarsino
Dr. D. Pelliccia
ISM-CNR Roma
Dr. A. Cricenti
Dr.ssa C. Oliva
Dr. A. Ustione
VNIIFTRI Institute, Moscow region, Russia
Dr. A.Faenov, ENEA guest
Dr.ssa T. Pikuz, ENEA guest