Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile - Industria e Spazio - Dispositivi e detector per raggi X e gamma

I rivelatori di raggi X e gamma trovano applicazioni in svariati campi che spaziano da specifici argomenti di ricerca (astrofisica, fisica fondamentale) a settori più pratici legati alla vita quotidiana (ispezioni di prodotti industriali, controlli di sicurezza).

Nel primo caso, la capacità di rilevare questa tipologia di radiazione elettromagnetica ha un ruolo cruciale nell'osservazione di corpi celesti e della radiazione cosmica. Infatti, la luce proveniente dallo spazio copre l’intero spettro elettromagnetico e, quindi, la sua rilevazione nell'intervallo energetico da pochi keV a pochi MeV è essenziale per completare il quadro.

Nel secondo caso, il potere penetrante di fotoni altamente energetici ha portato alla realizzazione di nuove tecnica di ispezione in grado di letteralmente “vedere” dentro un oggetto senza romperlo o aprirlo. Tale processo è definito “controllo non distruttivo” e ha rappresentato una svolta in ambito industriale poiché ha permesso di verificare rapidamente la qualità dei prodotti finiti e di rilevare la presenza di contaminanti all'interno di essi.

IMEM è da anni attiva in entrambi questi settori grazie ai suoi detector a base di CZT.

Industria: analisi non distruttive

Oggigiorno le tecniche di ispezione basate sui raggi X sono impiegate in diversi settori industriali (settore alimentare e farmaceutico, controlli di densità in linea di produzione). In base allo spessore, densità e composizione dell’oggetto ispezionato, l’intensità e l’energia della sorgente di radiazione artificiale (tubo a raggi X) possono variare grandemente. Il sistema di detezione deve quindi sapersi adattare a diverse condizioni operative in termini di flusso e energia della radiazione e a diverse tipologie di oggetti in termini di forma e dimensioni. Contemporaneamente, la risoluzione spaziale ed energetica devono essere adeguate alle dimensioni ed alla composizione di eventuali difetti o contaminanti.
Sostanzialmente, la realizzazione di immagini con i raggi X durante la produzione industriale in linea può essere realizzata con array lineari di rivelatori. L’acquisizione sequenziale di immagini unidimensionali permette di ricostruire l’immagine completa del prodotto: se non soddisfa determinati requisiti, l’oggetto è rimosso dalla linea di produzione. Attualmente, i sensori di raggi X ordinari producono immagini sfruttando l’intensità misurata dell’intera radiazione incidente o, al più, l’intensità di due bande di energia. Lo spessore e la densità relativa del materiale ispezionato possono essere stimate da questo tipo di misura. Un rivelatore spettroscopico, invece, produce un’immagine “a colori” la quale fornisce informazioni anche sulla composizione chimica, permettendo, quindi, di distinguere materiali con densità e spessore simili ma diverse composizioni elementali.

IMEM collabora con Xnext s.r.l., una emergente azienda italiana che realizza sistemi avanzati di ispezione con i raggi X sfruttando scanner lineari di sensori spettroscopici a stato solido. Gli argomenti di questa collaborazione spaziano dalla caratterizzazione del materiale al disegno del rivelatore, allo sviluppo di nuovi metodi di analisi dei dati (clicca qui per leggere di più su questo progetto).

IMEM collabora anche con due2lab s.r.l. per lo sviluppo di una nuova tecnologia in grado di cogliere tutte le informazioni utili contenute in uno spettro di raggi X e restituire ogni caratteristica del materiale. Questo tipo di tecnologia di ispezione differisce agli scanner lineari in quanto è basato sul controllo a campione che può essere utilizzato per oggetti con una superficie elevata come pannelli di legno e piastrelle di ceramica. Il maggior limite delle tecniche di ispezione con i raggi X tradizionali per il calcolo della densità che operano in trasmissione (quando l’oggetto è posto tra la sorgente radiogena ed il rivelatore) è che il valore di densità misurato è relativo e, dunque, è necessaria una procedura di calibrazione ogniqualvolta il tipo di produzione cambia e periodicamente se la produzione è soggetta a piccole variazioni nella composizione chimica del materiale. Invece, questo sistema fornisce una misura in tempo reale della densità assoluta sfruttando le capacità spettroscopiche dei rivelatori di CZT.
Lo schema 3D del prototipo realizzato è mostrato nelle immagini seguenti. (la singola unità di rilevazione con le sue componenti e lo scanner di linea completo).

 

 

Spazio: rivelazione della radiazione nel cosmo

I rivelatori di radiazione X e gamma trovano applicazione legate all'esplorazione spaziale e sono necessari per chiarire molte questioni scientifiche tuttora irrisolte riguardo l’osservazione di radiazione cosmica (per es. pulsars, buchi neri, sistemi binari). Leggerezza, compattezza e bassi consumi sono caratteristiche obbligatorie in questo ambito siccome l’intero sistema di rilevazione deve essere assemblato su satelliti di diverse tipologie. Inoltre, una risoluzione energetica di pochi keV e la capacità di determinare la posizione di interazione  nelle tre dimensioni spaziali con una risoluzione inferiore al mm sono richieste.

In questo contesto, i rivelatori di CZT assumono un ruolo importante grazie alla sua densità e numero atomico che garantiscono un elevato potere frenante. A differenza di altri materiali come Si o Ge, la capacità di rilevamento al livello di singolo fotone è possibile senza richiedere sistemi di raffreddamento. Il CZT, quindi, rappresenta il candidato ideale.
IMEM, uno dei leader mondiali nella ricerca di rivelatori di CZT, è stato ed è coinvolto in progetti riguardanti studi aerospaziali. La competenza di IMEM nella fabbricazione e caratterizzazione di rivelatori personalizzati e la collaborazione con due2lab s.r.l. ha portato alla realizzazione di rivelatori 3D “drift strip”. Questo prototipo può rappresentare l’elemento fondamentale per la realizzazione di rivelatori ad alte prestazioni nella spettroscopia, realizzazione di immagini, misurazione del tempo e della polarimetria come piano focale su telescopi spaziali che utilizzano sistemi ottici per le alte energie (lenti di Laue) e come strumentazione da utilizzare in futuro su cluster di micro-satelliti.

Collaborazioni con strutture di Sincrotrone

Negli ultimi anni, rivelatori spettroscopici a stato solido hanno iniziato a rimpiazzare le tecnologie a raggi X standard. Tuttavia, molti aspetti dei sensori di CZT devono ancora essere compresi. Grandi sforzi a livello scientifico sono effettuati per migliorare le prestazioni di questi rivelatori in condizioni particolari e inusuali, specialmente da parte di grandi enti come i sincrotroni, realizzando esperimenti mirati. Infatti, la luce di sincrotrone rappresenta la migliore sorgente di radiazione per testare questi dispositivi grazie alla possibilità di controllare la dimensione, la posizione, l’energia e l’intensità del fascio. IMEM collabora con entrambi i maggiori sincrotroni europei: il Diamond Light Source (DLS) nell Oxfordshire (UK) e l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble (Francia).

IMEM collabora con la divisione del STFC Rutherford Appleton Laboratory (Diamond Light Source, Oxfordshire, UK) che si occupa del disegno, sviluppo e la verifica di circuiti integrati per la lettura di diverse tipologie di dispositivi, inclusi quelli basati su CZT per la realizzazione di immagini. La lunga esperienza nella realizzazione di rivelatori di IMEM, unita alle competenze sviluppate al RAL in merito agli ASIC e agli approcci di correzione digitale studiati presso il dipartimento di Fisica di Palermo (UNIPA) ha dato luogo ad una forte collaborazione con lo scopo di studiare le prestazioni di rivelatori a pixel in condizioni particolari (fotoni che interagiscono nella regione di intergap tra i pixel, effetti ad alti flussi). Ciò ha permesso di accedere al sincrotrone DLS per vari esperimenti che hanno portato a numerose pubblicazioni scientifiche e contributi alle conferenze più prestigiose in questo campo.

IMEM collabora con l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) per la realizzazione di rivelatori pixelati basati su CZT per la realizzazione di immagini. ESRF e altri importanti enti di ricerca stanno studiando materiali ad alto Z per rimpiazzare gli attuali sistemi di rilevazione basati sul silicio i quali hanno un’efficienza limitato ad energie superiori a 20 keV. Le proprietà elettriche e l’omogeneità dei cristalli di CZT rendono ardua la realizzazione di dispositivi con un'area elevata (> 1 cm²), con una risoluzione spaziale elevata (< 100 µm) e con una risoluzione energetica ottimale. Il ruolo di IMEM in questa collaborazione comprende diversi aspetti (clicca qui per ulteriori informazioni).