3DCaTM  
Modulo 3D‐CZT per imaging spettroscopico, misura del tempo e della polarimetria di raggi X e γ in missionis su satelliti
ASI-INAF call 2017 - “Attività di studio per la comunità scientifica di astrofisica delle alte energie e fisica astro-particellare”
  Progetto attivo [2018-2020]
Capo Progetto: Ezio Caroli (ezio.caroli@inaf.it) - INAF-OAS Bologna
Responsabile IMEM: Andrea Zappettini (andrea.zappettini@imem.cnr.it)

Il progetto ha l’obiettivo finale di realizzare un sistema di rivelazione completo per raggi X “hard” e i raggi 𝛾 “soft” nell’intervallo energetico 10‐1000 keV basato su detector spettrometrici a base di CZT con una risoluzione spaziale inferiore al millimetro nelle tre dimensioni ed una catena elettronica digitale di acquisizione. Ciò rappresenta un importante avanzamento rispetto all'attuale strumentazione spaziale e sarà essenziale nei prossimi decenni per risolvere interessanti quesiti tuttora aperti relativamente all'osservazione di sorgenti di radiazione cosmica (pulsar, buchi neri, sistemi binari).

Il rivelatore deve soddisfare contemporaneamente molteplici requisiti:
  • elevata efficienza di rilevamento (>80% a 500 keV)
  • elevata spettroscopia (risoluzione 1% FWHM a 511 keV)
  • elevata risoluzione spaziale (<0.5 μm)
  • precisa risoluzione temporale (<1 μs)
  • capacità di effettuare polarimetria
Inoltre, modularità e compattezza sono necessarie siccome il dispositivo deve essere compatibile per una grande varietà di satelliti.
Il cuore del sistema di rivelazione, realizzato con gli sforzi combinati di IMEM-CNR e due2lab s.r.l., consiste in quattro cristalli di CZT di dimensioni 20×20×5 mm3 con elettrodi segmentati ortogonalmente sulle due superfici opposte del cristallo. L’ampio volume permette di frenare una grande porzione della radiazione incidente nell’intervallo di energia di interesse. L’anodo è caratterizzato da strisce di elettrodi con una larghezza di 0.15 mm ed una separazione di 0.25 mm mentre il catodo è diviso in dieci strisce con una larghezza di 1.9 mm ed una separazione di 0.1 mm. Le strisce  dell’anodo sono organizzate in elettrodi di raccolta ed elettrodi di deriva i quali sono posti a potenziale negativo in modo da convogliare le cariche generate dalla radiazione verso l’elettrodo di raccolta.
Il dispositivo finale ha mostrato ammirevoli prestazioni in termini di risoluzione energetica (1.3% FWHM @661.7 keV) senza l’ausilio di correzioni spettrali. Ciò dimostra i miglioramenti tecnologici raggiungibili nella fabbricazione di dispositivi grazie alla ricerca sviluppata in IMEM.
detector IMEM 3DCaTM

Questa configurazione di elettrodi consente di ottenere una fine segmentazione del sensore (∼3000 voxels) utilizzando pochi canali (25). Infatti, la posizione di interazione del raggio cosmico con il cristallo può essere determinata leggendo il segnale indotto su tutti gli elettrodi .
L’analisi del segnale permette, infatti, di estrarre la profondità di interazione ottenendo, quindi, un effettivo sensore 3D. La possibilità di leggere il segnale dagli elettrodi di raccolta, di deriva e dai catodi, unita al processamento digitale, garantisce una grande flessibilità in diverse condizioni operative e di migliorare ulteriormente le prestazioni spettroscopiche del dispositivo.

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

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