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Sviluppo ed applicazione di microcalorimetri per raggi X

Il gruppo del laboratorio XACT/OAPA Ŕ coinvolto in un programma di ricerca mirato allo sviluppo di rivelatori per spettroscopia X ad alta risoluzione, basati su microcalorimetri con assorbitore superconduttore e termistore in NTD-Ge, con molteplici applicazioni sia nel campo astronomico che in altri svariati campi della scienza e della tecnica.Il programma Ŕ svolto in collaborazione col Dr. E.Silver al SAO.

Nonostante l'eccellente risoluzione energetica fino ad ora ottenuta con questa classe di microcalorimetri, circa 3.5 eV FWHM a 6 keV , questi risultati sono ancora circa un fattore tre peggiori delle previsioni teoriche basate sui contributi noti di rumore termico ed elettronico. Abbiamo quindi condotto uno studio mirato all'identificazione di possibili sorgenti di rumore, fino ad ora trascurate, che possano essere responsabili di degrado della risoluzione energetica. A questo scopo, abbiamo realizzato un modello del funzionamento di un microcalorimetro con assorbitore superconduttore attraverso una descrizione dei processi microscopici responsabili della termalizzazione dell'energia del fotone assorbito. In particolare, abbiamo investigato due effetti che potrebbero essere responsabili di un degrado della risoluzione energetica, ovvero i tempi lunghi di rilassamento delle quasiparticelle nel superconduttore, e la sensibilitÓ del rivelatore alla posizione di incidenza dei fotoni sull'assorbitore. I risultati delle simulazioni numeriche ci hanno permesso di identificare alcuni nuovi materiali potenzialmente interessanti come assorbitori per microcalorimetri. Abbiamo progettato e realizzato in collaborazione con il SAO nuovi rivelatori basati su alcuni di questi materiali (per es. Pb-Bi) e prevediamo di effettuare in tempi brevi alcuni test di funzionamento. Inoltre,intendiamo realizzare specifici esperimenti per investigare la sensibilita' alla posizione di arrivo dei fotoni ed eventualmente modificare la geometria dei rivelatori in modo da minizzare l'effetto sulla risoluzione spettrale.

Per potere effettuare test sperimentali con i microcalorimetri e' stato realizzato presso il laboratorio XACT un criostato a demagnetizzazione adiabatica in grado di raffreddare i microrivelatori fino a temperature di poche decine di mK, e di mantenenerli a queste temperature per diverse ore (circa 25 ore a 60 mK) (figura 68). Recentemente Ŕ stato completata l'opera di cablaggio elettronico per l'alimentazione e la lettura dei microcalorimetri all'interno del criostato.

Figura 68: Il pannello di sinistra mostra il criostato a demagnetizzazione adiabatica della XACT facility. Il pannello centrale mostra il pannello di controllo del vuoto nei contenitori di azoto ed elio liquidi del criostato, il pannello di destra mostra uno dei cristalli di sale paramagnetico realizzati per il criostato.
=0.7cm
\includegraphics[height=6 cm]{barbera/adr.ps} \includegraphics[height=6 cm]{barbera/gassys.ps} \includegraphics[height=6 cm]{barbera/salt_grown.ps}

Figura 69: In alto e' mostrato lo schema della configurazione strumentale utilizzata per ottenere immagini nei raggi X della sorgente. In basso a é mostrata, con due diverse rappresentazioni grafiche, un'immagine della sorgente X con anodo di ferro ottenuta con questa configurazione strumentale.
=1.0cm
\includegraphics[height=7 cm,angle=-90]{barbera/pinhole.ps}


\includegraphics[height=6 cm]{barbera/Fe_p_shade.ps} \includegraphics[height=6 cm]{barbera/Fe_p_tvimb.ps}

L'accuratezza dei modelli di emissione di plasmi astrofisici non e' al momento confrontabile con la qualita' degli spettri di sorgenti brillanti extrasolari misurati da Chandra e Newton-XMM, o di osservazioni spettroscopiche della corona solare. Per potere correttamente interpretare gli spettri osservati di sorgenti astrofisiche e' dunque necessario verificare le predizioni dei modelli con misure di laboratorio. Un metodo molto efficace per lo studio di plasmi in laboratorio si basa sull'utilizzo di una Electron Beam Ion Trap (EBIT). L'EBIT consente di produrre e confinare plasmi monoatomici con un elevato grado di controllo sulle caratteristiche del plasma stesso. Il gruppo dell'OAPA é direttamente coinvolto in un programma di misure di emissione X di plasmi di laboratorio presso l'Electron Beam Ion Trap (EBIT) del National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, MD) facendo uso di microcalorimetri al germanio NTD sviluppati al SAO. Recentemente, sono stati acquisiti ed analizzati dal gruppo dell'OAPA spettri X del Neon altamente ionizzato (Ne IX e Ne X) per lo studio di alcune diagnostiche di plasma di interesse astrofisico, fino ad oggi basate solo su modelli teorici, ed allo scopo di studiare le caratteristiche dell'apparato sperimentale. Per quest'analisi sono stati utilizzati diversi spettri ottenuti in varie condizioni operative dell'EBIT studiando gli effetti sull'intensita` totale delle righe di uno stesso ione, sui rapporti tra il flusso emesso nelle righe del Ne IX e del Ne X, e sui valori di densita` elettronica stimate dai rapporti tra le righe del tripletto del Ne IX. Uno dei risultati di quest'analisi mette in evidenza che lo studio e la comprensione della dinamica degli ioni all'interno della trappola e` fondamentale per una corretta interpretazione degli spettri X emessi dal plasma confinato nell'EBIT, al fine di consentire verifiche sperimentali accurate di diagnostiche di plasma di interesse astrofisico.


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Flavio Morale 2006-10-31