Il gruppo del laboratorio XACT/OAPA è 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 è svolto in collaborazione col Dr. E.Silver del SAO (Cambridge, MA).
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 sensibilità 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). Recenti risultati ottenuti presso la XACT facility hanno permesso di verificare sperimentalmente che alcuni superconduttori presentano il fenomeno dell'intrappolamento di energia sotto forma di quasiparticelle che si ricombinano emettendo fononi su tempi scala lunghi, ed inoltre, è stato possibile verificare, in accordo con le predizioni teoriche, che alcune leghe superconduttive termalizzano in modo più veloce ed efficiente l'energia depositata dai singoli fotoni X.
I microcalorimetri con sensore di Ge NTD sono attualmente costruiti con
tecniche micromeccaniche che, sebbene siano adeguate per la realizzazione
di rivelatori a singolo pixel o a basso numero di pixel, difficilmente
possono essere applicate alla produzione su grande scala di matrici con
un grande numero di pixel (
). In collaborazione con il DIEET
dell'UNIPA abbiamo avviato lo studio di una tecnologia planare per
la realizzazione di matrici di microcalorimetri al Ge NTD con grande
numero di pixel. Abbiamo gi� definito le principali fasi del processo
costruttivo e abbiamo effettuato i primi test sperimentali su alcune
delle fasi critiche del processo, in particolare abbiamo dimostrato
la possibilità di utilizzare la microlitografia laser e l'attacco
chimico profondo su wafer di Germanio per ottenere geometrie idonee
dei sensori per microcalorimetri. La figura 71 mostra uno dei
risultati ottenuti.
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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 72).
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