Il polarizzatore `e stato montato su un banco ottico all’interno di una stanza di schermo delle radiazioni. Un complesso sistema di movimentazione a controllo remoto permette di montare il GPD in asse col fascio polarizzato. Il sistema `e dotato delle seguenti movimentazioni:
• δ (angolo di inclinazione, risoluzione 1”). Questo stadio permette di orientare il GPD in direzione ortogonale al fascio o di inclinarlo fino a ±60◦ per studi con fasci a incidenza
non ortogonale.
• ǫ (angolo di polarizzazione, risoluzione 1”). Questo stadio ruota il GPD attorno al prorpio asse, cambiando l’angolo di polarizzazione del fascio rispetto al sistema di riferimento del GPD
• x, y (risoluzione micrometrica, corsa ± 25mm) Questo stadio permette di spostare il punto di incidenza del fascio sulla superficie del GPD
• z: questo stadio permette di minimizzare la distanza fra polarizzatore e GPD, azione critica quando si lavora con radiazione attorno a 2 keV.
Figura 6.4: spettro da 1 a 11 keV ottenuto irradiando il cristallo PET con il tubo a titanio regolato a 11.7 kV. Sono visibili i primi 5 ordini di diffrazione. Misure effettuate con un rivelatore AMPTEK XR100CR.
Capitolo 7
Test del GPD con riempimento DME
puro a 0.8 bar
La missione internazionale IXO (International X-ray Observatory) prevede il lancio nel 2020 di un grande telescopio X di area ∼ 104
cm2
e di lunghezza focale 20 m. Il progetto segue e sosti- tuisce la precedente missione XEUS, un telescopio con una pi`u grande area e lunghezza focale di 30 m ottenuta con due satelliti in formazione, uno per le ottiche e il secondo per gli strumenti di piano focale. Sul piano focale di IXO saranno presenti diversi strumenti che si alterneranno nelle osservazioni, per l’imaging, la spettroscopia e un GPD XPol per la polarimetria.
Nel Payload Definition Document del telescopio IXO ([28]) `e prevista la presenza di un GPD a He20-DME80 a 1 bar. Il DME (DiMetilEtere (CH3)2O)) `e un gas molto studiato in
polarimetria perch´e assicura una ragionevole efficienza per raggi X di qualche keV, e un basso coefficiente di diffusione (60 µm su 1cm a 1 atmosfera). L’elio ha la funzione essenziale di allungare il cammino libero medio degli elettroni con due vantaggi: maggiore estensione delle tracce del fotoelettrone e innesco del guadagno per effetto valanga a tensioni ridotte al prezzo di una riduzione dell’efficienza. L’uso di GPD sigillati permette il riempimento con gas a pressione ridotta. Sulla scorta delle analisi Monte Carlo che hanno predetto un comportamento essenzialmente uguale alla miscela He20-DME80 a 1bar gi`a studiata in precedenza ([21], [24]), `e stato deciso di sperimentare un riempimento del GPD con DME puro a 0.8 bar. Rispetto alla miscela He20-DME80 a 1 bar ci sono due vantaggi:
• Nessuna incertezza sulla composizione della miscela e maggiore semplicit`a nelle operazioni di riempimento
• Riduzione della differenza di pressione in volo sulla sottile finestra di berillio (50 µm). A questo riguardo `e stato effettuato un test di deformazione della finestra di berillio immettendo azoto a pressione relativa all’ambiente crescente. Come mostrato in figura 7.1 la deformazione della finestra `e di 0.07 mm a una differenza di pressione di 0.2 bar (condizioni di test a terra, si assume un comportameto simmetrico delle deformazioni per differenze di pressione negative)
Figura 7.1: Deformazione della finestra di berillio in funzione della differenza di pressione tra interno ed esterno
ed `e di 0.2 mm a 0.8 bar (condizioni di lavoro in orbita); il test ha assicurato la resistenza della finestra fino a 1.6 bar, assicurando un fattore 2 di sicurezza alla rottura.
L’altra differenza con il GPD Xpol `e l’uso di un GEM di produzione giapponese (ScyEnergy) in liquid crystal polimer spesso 100 µm, con i fori realizzati con metodo dry (laser), su un patterni di 80 µm di passo. Il principale scopo `e quello di qualificare un secondo produttore di GEM oltre al CERN, e di valutare i vantaggi insiti nell’uso del nuovo polimero e del dry etching.
7.1
Misure di guadagno in funzione delle tensioni appli-
cate
In figura 7.2 sono indicate le tensioni di operazione del GPD: • Vdrif t
• Vtop
• Vbot
Figura 7.2: Schema del GPD con indicate le notazioni delle tensioni usate nel testo
• ddpGEM = Vbot− Vtop
Per lo studio `e stata utilizzata una sorgente di Fe55
di 2 cm di diametro che illuminava in modo uniforme il rivelatore. In figura 7.3 `e mostrata la mappa ottenuta integrando su ogni pixel la carica osservata, in ADC counts. Il rivelatore risulta omogeneo e privo di canali noisy.
In figura 7.4 `e mostrato lo spettro di ampiezza di impulso calcolato come la somma dei segnali in ADC counts, registrati dai pixel associati a un cluster. La risoluzione FWHM `e del 25% a 5.9keV, risultato particolarmente buono se si considera che ogni evento `e suddiviso su molti canali (in media 80) e che la misura `e ottenuta con una illuminazione omogenea del rivelatore senza nessuna calibrazione di differenze di guadagno locali. La coda a bassi valori `e da imputare a tracce di fotoelettroni emessi vicino alla parete di drift o alla faccia superiore della GEM e che hanno concluso il loro percorso contro di esse. Le tracce che finiscono fuori della zona attiva del GPD sono eliminate prendendo in esame una zona fiduciale del rivelatore. In figura 7.5 `e mostrato l’andamento della ampieza d’impulso definito come il valore di picco della distribuzione in ADC counts, in funzione della ddpDrif t. Come `e tipico per i rivelatori a
GEM il guadagno ha un andamento che tende ad asintoto orizzontale per alti valori di Vdrif t,
quando l’incremento di campo di moltiplicazione `e compensato dalla maggiore frazione degli elettroni che sono spinti dal campo contro la metallizzazione del GEM.
L’andamento dell’ampiezza d’impulso in funzione di ddpGEM (figura 7.6) ha il caratteristico
Figura 7.3: mappa della carica integrata su ogni pixel nel caso di illuminazione uniforme da Fe55
Figura 7.5: Pulse height in funzione di ddpDrif t
un guadagno molto sensibile alla tensione, nonostante i 100 µm di spessore. Le ragioni di questa prestazione vanno individuate nella pressione ridotta e nella lunghezza del campo di moltiplicazione, doppia rispetto ai GEM classici, che compensa la riduzione del campo elettrico. Infine l’andamento del segnale in funzione del campo di raccolta `e lineare (figura 7.7). Al crescere del campo di raccolta diminuisce il numero di linee di forza che escono da un foro del GEM e si richiudono sulla faccia inferiore del GEM stesso. A campi elevati si pu`o in teoria arrivare alla raccolta completa della carica prodotta nel GEM, ma esiste un limite pratico alla tensione Vbot per prevenire scariche verso l’ASIC.