Il laboratorio LAX "Livio Scarsi" - IASF Palermo - Inaf

Laboratorio Sperimentazione a Raggi X – LAX 

Livio Scarsi 

Laboratorio per la 

sperimentazione a raggi X 

LAX – Livio Scarsi 

Applicazioni Multidisciplinari 

Dott. Salvatore Giarrusso 

IASF – INAF Palermo 

XVII Settimana della Cultura Scientifica e Tecnologica 2007 DiFTeR Palermo 22 Marzo 2007 Salvo Giarrusso



Cosa sono i raggi X 





1 continua 

I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica estremamente 

penetrante, caratterizzata da una lunghezza d’onda molto piccola, minore 

di quella della luce visibile, compresa tra 1 nm e 0.001 nm. 

Oggi sappiamo che i diversi tipi di radiazione elettromagnetica, tra cui 

appunto la luce, le onde radio, le microonde e i raggi X e γ, trasportano 

energia raggiante sotto forma di onde elettromagnetiche, che propagano un 

campo elettrico e un campo magnetico perpendicolari tra loro e alla 

direzione di propagazione; questi campi variano secondo una legge 

sinusoidale, la cui frequenza ν (o lunghezza d’onda λ) è quella che 

caratterizza l'energia raggiante considerata. 

λ 

ν = c / λ 





E = h ν = h c / λ 

2 continua 

A frequenze molto alte ovvero a lunghezze d’onda molto piccole, come nel caso 

dei raggi X, X la radiazione elettromagnetica interagisce con la materia come una 

particella piuttosto che come un onda, e lo scambio di energia avviene in modo 

discreto e discontinuo piuttosto che uniforme. 

Così si è soliti descrivere le interazioni radiazione-materia in termini di 

interazioni con i fotoni piuttosto che con le onde associate alla radiazione. Il 

fotone è quindi la particella che trasporta il quanto di energia corrispondente alla 

radiazione considerata. 

La relazione che lega l’energia E del fotone alla sua frequenza ν (ovvero alla 

sua lunghezza d’onda λ) è data da: 

Il dualismo onda-particella della radiazione elettromagnetica, così come di tutte 

le particelle che costituiscono la materia (elettroni, protoni ecc..), e il suo 

manifestarsi a quanti costituisce l’aspetto fondamentale della moderna teoria 

della meccanica quantistica dei campi. 





3 continua 

1 eV = 1.6 . 10 -19 Joule 





I raggi X possono essere prodotti artificialmente bombardando un campione di 

metallo pesante con elettroni accelerati ad alta velocità. I raggi X vennero 

scoperti sperimentalmente nel 1895 dal fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen, 

nel corso delle sue ricerche sui raggi catodici, con un tubo a vuoto sottoposto ad 

alta tensione. 

Nel riquadro, la radiografia 

della mano della Signora 

Röntgen 

Wilhelm Conrad Röntgen, R 

lo 

scopritore dei raggi X, primo 

premio Nobel per la Fisica nel 

Novembre 1901.. 




Presentazione del LAX 





1 continua 

Il laboratorio Sperimentazione a Raggi X – LAX è nato nel 1993 da un 

idea del Prof. Livio Scarsi, Direttore dell’ IFCAI-CNR (oggi IASF-INAF 

di Palermo). 

Grazie ad una collaborazione tra i ricercatori dell’ IFCAI e 

dell’Università di Palermo, fece progettare e realizzare un fascio 

collimato a raggi X, che doveva operare nella banda di energia tra 

qualche frazione di keV ed oltre 20 keV, di oltre 10 metri di lunghezza, 

con collimazione < 1’ su 1 mm 2 , con lo scopo principale di effettuare i 

test e le calibrazioni dei prototipi di rivelatori X e di specchi ad 

incidenza radente che dovevano essere successivamente impiegati su 

BeppoSAX, un satellite italo-olandese che ha operato con successo nel 

campo dell’astronomia X tra il 1996 e 2002. 




2 continua 





3 continua 

Il fascio X consiste essenzialmente di 

una sorgente per la produzione di raggi 

X, di un sistema di collimazione, di una 

camera porta campione e una di 

rivelazione, il tutto tenuto in vuoto spinto 

al fine di annullare l’assorbimento dei 

raggi X da parte delle molecole d’aria 

lungo la linea del fascio. 

Le caratteristiche del fascio X consentono, grazie all’ampio intervallo di energia 

ottenibile, all’intensità del flusso e alla dimensione trasversale del fascio, 

numerose applicazioni quali: studio e calibrazione di rivelatori per radiazione X, 

studio di riflessione per scattering di radiazione X su superfici, studio sulla 

trasmissione e/o assorbimento di materiali, misure assolute di flusso, ecc.. 





L’intervallo di energia nel quale si opera e soprattutto l’alto flusso di 

radiazione X disponibile, consentono di utilizzare il fascio, per 

applicazioni avanzate nel campo medico e nel campo delle strutture 

biologiche e molecolari e anche nel campo della diagnostica dei 

materiali lapidei di interesse per I beni culturali. 

La potenza del fascio X è tra le più elevate tra quelle ottenibile tramite 

le sorgenti disponibili in commercio. 

Naturalmente fasci X di più elevata intensità come quelli da radiazione 

di sincrotrone offrirebbero in generale più vantaggi, ma una facility 

come quello concepita al LAX, è più versatile e molto più economica. 

L’intero sistema inoltre è progettato per avere il massimo della 

flessibilità d’adattamento alle diverse esigenze sperimentali, 

rendendolo idoneo come laboratorio per applicazioni e sperimentazioni 

multidisciplinari 




Descrizione del LAX 





1° 2° 3° 4° 

1 continua 

Come mostrato nella schematica la linea del fascio è divisa in quattro settori: 

1° Generazione dei raggi X 

2° Sistema di collimazione 

3° Camera porta-campioni 

4° Camera di rivelazione 






2 continua 

Sono presenti due sistemi di generazione di 

raggi X, costituite entrambi da una serie di tubi 

a vuoto, uno per ogni riga di energia. 

Il primo, per le alte energie (1.5-60 keV) , è 

costituito da tubi di tipo ‘Seyfert’. 

Il secondo, per le basse energie (0.1-1.25 

keV), da tubi di tipo ‘Manson’. 

Tubi ‘Seyfert’ (sorgente puntiforme 1mm 2 ) 

Tubi ‘Manson’ 





3 continua 


Nei tubi a vuoto la radiazione X viene prodotta per bombardamento di 

elettroni, generati da un filamento incandescente (catodo), contro un 

bersaglio metallico (anodo). 

La radiazione X emessa si presenta sotto forma di una o più righe 

discrete, ottenute per eccitazione dei livelli di energia più interni degli 

atomi costituenti il bersaglio, sovrapposte ad un continuo X di 

“bremsstrahlung” dovuta alla diffusione degli elettroni con i suddetti atomi. 

1.0 

0.9 

Ag-kα (22.1keV) 

0.8 

Arbitrary unit 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

0.0 

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 

Energy (keV) 






4 continua 

La sorgente X è di tipo puntiforme con un’area emittente di 1 mm 2 e un 

flusso all’uscita, nell’intervallo di energia 0.1–60 keV, di 10 10 -10 12 ph/sr s, 

che a 10 metri di distanza equivale a più di 10 5 ph/cm 2 s. 





2° Sistema di collimazione 

5 continua 

Il settore di collimazione è formato da tre tubi 

rettilinei allineati in acciaio del diametro di 20 cm e di 

lunghezza complessiva di ∼8 metri mantenuto in 

vuoto. 

Il fascio X è collimato mediante l’uso di un riduttore, 

posto proprio all’inizio della collimazione, e da due 

otturatori calibrati uno verticale ed uno orizzontale, 

con assi ortogonali a quello del fascio, posti alla fine 

della linea. 

Il riduttore e gli otturatori sono manovrabili manualmente o mediante motori a 

passo micrometrico controllati da un computer. 





3° Camera porta-campioni 

6 continua 

Il fascio X collimato arriva ad una camera a tenuta di 

vuoto (10 -5 -10 -6 mbar) dove è possibile posizionare il 

campione da irradiare con i fotoni X. Il campione è 

posto su un manipolatore con 5 gradi di libertà. Il 

manipolatore è composto da un sistema di 

movimentazione micrometrica su tre assi (x,y,z), e un 

sistema a gondola di movimentazione angolare, con 

rotazioni attorno agli assi y e z, controllato da motori 

computerizzati a passo micrometrico. 

La radiazione dopo l’incidenza sul campione raggiunge 

la camera che contiene i rivelatori di raggi X. 





4° Camera di rivelazione 

All’interno della camera di rivelazione, di forma cilindrica con 

una capacità di ~ 4000 litri tenuta anch’essa in alto vuoto 

(10 -5 -10 -6 mbar), è possibile posizionare i rivelatori di radiazione o 

anche grandi oggetti da irradiare, grazie ad un sistema di 

posizionamento meccanico costituito da una piastra di acciaio, 

che può sostenere pesi fino a ~ 10 kg, in grado di ruotare su se 

stessa e con possibilità di movimento lungo le due direzioni 

ortogonali al fascio (x,y) per mezzo di motori a passo 

micrometrico controllati da un computer. 

7 continua 

L’accesso all’interno della camera è possibile attraverso due portelloni posti all’estremità 

opposta del camera cilindrica e dello stesso diametro della camera. 

Nella superficie laterale della camera cilindrica (così come nei due portelloni laterali) sono 

presenti diverse flange a tenuta di vuoto di vari diametri che permettono il passaggio, mediante 

passanti da vuoto, di cavi di alimentazione elettrica e dei segnali dai rivelatori o dai sensori di 

temperatura e pressione. Da alcune flange è possibile inoltre introdurre dentro la camera tubi a 

vuoto per l’introduzione di gas puri. Infine su una flangia posta nella parte alta della camera è 

montata una finestra di quarzo per ispezionare l’interno a camera chiusa. 





Sistemi da vuoto e rivelatori campione 

8 continua 

Il vuoto viene effettuato mediante due pompe 

turbomolecolari poste una lungo la linea del fascio e l’altra 

sotto la camera di rivelazione e da una pompa criogenica 

anch’essa posta sotto la camera di rivelazione, ognuna 

con capacità di pompaggio di 1500 l/sec adeguata ad 

assicurare il raggiungimento di un vuoto su tutta la linea di 

10 -4 mbar entro mezz’ora dall’accensione ed un vuoto 

finale < 10 -5 mbar. 

Per il monitoring e le calibrazioni periodiche del fascio si 

utilizza un rivelatore spettroscopico a stato solido a SiLi, 

raffredato con Azoto liquido, montato nella parete interna 

alla camera di rivelazione in asse con il fascio, con 

caratteristiche di risoluzione in energia di ~ 120 eV a 6 

keV. 





Caratteristiche generali del fascio 

9 continua 

Distanza di collimazione 

Diametro del fascio 

Divergenza a piena apertura ~ 1° 1 

10.5 metri 

Divergenza su 1 mm ~ 20” 

200mm (piena apertura) 

Range di energia 0.1 – 60 keV 

Flusso X 10 10 - 10 12 ph/sr s 

Flusso X a 10.5 metri > 10 5 ph/cm 2 s 





Il Polar-X 

Il Polar-X è costituito da una grande camera a simmetria 

sferica della capacità di 500 litri che può essere portata, da 

una grossa pompa ionica, in ultra alto vuoto fino a 

10 -10 mbar. Il Polar-X è posizionato a 1 metro di distanza 

dalla camera porta-campioni, proprio di fronte ad una delle 

flange che fa da uscita laterale ortogonale al fascio. 

All’interno del Polar-X si trova un manipolatore a 5 gradi di 

libertà (3 lineari e due angolari) capace di spostare il 

campione in ogni punto all’interno della sfera. Il campione 

viene introdotto all’interno a step attraverso una camera di 

prevuoto (10 -5 -10 -6 mbar) in modo da non rompere il vuoto 

spinto all’interno del Polar-X. 

Sulla superficie della sfera sono presenti numerose flange utili per varie applicazioni. In una di queste 

flange, quella posta di fronte alla camera porta-campioni, può essere montata una finestra in Be di 50 μm di 

spessore, che fa da finestra di ingresso per la radiazione X. 

Questa può essere introdotta all’interno del Polar-X o con un generatore X posto davanti alla finestra di 

ingresso oppure deviando il fascio X del LAX di 90° con un opportuno cristallo a riflessione di Bragg, 

montato sul sistema di movimentazione presente all’interno della camera porta-campioni. 




Attività al LAX 





Misure sul prototipo scientifico del GSPC di BeppoSAX 

Il prototipo scientifico del GSPC utilizzato 

come rivelatore del piano focale dei 

telescopi concentratori di BeppoSAX 

Spettri di energia del GSPC sovrapposti, relativi alle 

righe di fluorescenza kα dei target di Cr, Fe e Cu 





1 continua 

Attività di supporto ad EUSO: 1) Misura della yield di fluorescenza dell’aria 

Attività sperimentali propedeutiche e di supporto per determinare e misurare quei 

parametri fisici fondamentali per una migliore definizione del progetto EUSO: 

L’esperimento ONLY 

Obiettivo 

Misura assoluta della 

produzione di luce UV (Light 

Yield) di scintillazione in gas 

che compongono l’atmosfera, 

l 

indotta da radiazione X, nel 

range di lunghezza d’onda d 

300-400 nm, in funzione della 

composizione del gas e della 

pressione del gas. 

Il Set-up sperimentale 





Attività di supporto ad EUSO: 1) Misura della yield di fluorescenza dell’aria 

100 

N 2 

10 

Coincidence Rate (cts/sec) 

80 

60 

40 

20 

Air 

Light Yield (%) 

1 

0.1 

0.01 

AIR 

N 2 

0 

1 10 100 1000 

Pressure (mbar) 

0.001 

1 10 100 1000 

Pressure (mbar) 

The Gas Cell 

La tecnica di rivelazione utilizzata 

è basata sulla coincidenza veloce 

dei segnali osservati da due 

fotomoltiplicatori che guardano 

nella regione di interazione dei 

raggi X e quindi di produzione 

della fluorescenza UV. 

Rate di coincidenza vs pressione 

Sorgenti X utilizzate: Ag -kα (22.1 keV) e Fe -kα (6.4 keV) 

Gas utilizzati: Aria e Azoto ultra-puro per confronto 

Risultati 

Light Yield vs pressione 

I risultati ottenuti sono stati molto utili per il calcolo della 

visibilità della fluorescenza, indotta dagli EECR, vista da 

EUSO. Questi risultati sono stati pubblicati sui 

proceedings dello SPIE e presentati alla 26 th Conferenza 

internazioale sui raggi cosmici (ICRC). 





Attività di supporto ad EUSO: 2) Caratterizzazione di una lente campione di Fresnel 

Lente di Fresnel: 

Lente circolare diametro 

10.1 cm, spessore 1.5 mm con 4 grooves/mm 

Sorgente di radiazione utilizzata: Lampada ad 

emissione ultravioletta alimentata in 

continua, filtrata con un filtro passa-banda 

(300-400 nm). 

Distanza sorgente – lente di Fresnel: 10 m 

Rivelatore: CCD UV coated, 512 x 512 pixels 

Misure Sperimentali sulla lente campione 

•Esame Esame profilometrico 

•Misura Misura della distanza focale 

•Misura Misura di assorbimento 

•Misura Misura della deformazione dell’immagine 

•Analisi Analisi della risoluzione angolare 

•Studio Studio della degradazione 

Risultati 

I risultati ottenuti sono accettabili, tranne che per la 

deformazione dell’immagine e la risoluzione angolare 

soprattutto a grandi angoli (> 6°). 6 

L’allargamento 

L 

dell’immagine, per esempio, se estrapolati alle 

dimensioni dell’ottica di EUSO non consentirebbe di 

raggiungere la risoluzione spaziale voluta. 





Attività di supporto ad EUSO: 3) Test su Pmts impiegati in BABY ed ULTRA 

Le attività di supporto per la misura dei 

parametri fisici utili al progetto EUSO, 

sono proseguiti al LAX con il test dei 

fotomoltiplicatori e dell’elettronica 

elettronica 

associata, per gli esperimenti BABY ed 

ULTRA. In questo caso l’uso l 

del LAX è 

stato utile grazie alla sua buona tenuta di 

luce. 

Misure al LAX 

• Misure dei conteggi vs della soglia analogica a 

varie tensioni di alimentazione 

• Misura dei conteggi vs la tensione di 

alimentazione 

• Misura della carica anodica vs la tensione 

applicata 

• Misure dei valori di integrazione in funzione dei 

conteggi misurati 

• Misura degli spettri a singolo foto-elettrone 

(SER) 

Obiettivi 

BABY è un esperimento 

effettuato in pallone per la 

misura notturna dall’alto 

alto 

(40 km) del fondo UV 

atmosferico nella banda 

300-400 nm. 

ULTRA è un esperimento 

per la misura e la 

registrazione 

sincrona 

degli sciami cosmici al 

suolo e della radiazione 

Cerenkov riflessa e diffusa 

dalla superficie su cui lo 

sciame cosmico viene 

rivelato. 





Test e calibrazione del piano focale di GAW 

Attività al LAX sul prototipo di piano focale 

GAW è un esperimento pilota per testare una nuova generazione di telescopi 

Cerenkov a immagine, che uniscano una alta sensibilità con un largo campo di 

vista (fino a 20°x20 

x20°), che saranno utilizzati nel campo dell’astronomia dei gamma 

duri, nella banda attorno al TeV. 

L’originalità di GAW, rispetto ai tradizionali telescopi Cerenkov a campo stretto, 

è 

dovuto ad alcune sue peculiari caratteristiche: 

•L’uso uso di lenti di Fresnel in luogo di riflettori 

•L’uso uso di una superficie focale, basata su fotomoltiplicatori multipixel 

• Il modo operativo di conteggio a singolo foto-elettrone rispetto all’usuale 

sistema ad integrazione di carica, per i fotomoltiplicatori 

• Elettronica di front-end al nsec 

Buona uniformità 

•Ottimizzazione della soglia analogica di ogni 

canale (pixel) 

•Ottimizzazione delle tensioni di alimentazione di 

ogni fotomoltiplicatore 

•Cross-talk 

della luce su tutto 

il piano focale 

Utilizzo della 

movimentazione 

computerizzata 

(uso di maschere 

multi-pinholes) 





Dosimetria a termoluminescenza per raggi X per applicazioni in campo c 

medico 

Con questa ricerca si intendono studiare le 

caratteristiche del segnale TL, dopo l’esposizione 

alla radiazione X, di nuovi materiali (realizzati 

attraverso l’uso di una tecnica Sol-Gel) costituiti 

da una matrice di fluoruro di litio arricchita con 

diversi attivatori (rame, fosforo e itterbio). 

Obiettivo 

Sviluppo di dosimetri sensibili a fotoni X nel range 

compreso fra 0.1 keV e 60 keV, per applicazioni in 

campo medico (radiodiagnostica in 

mammografia). Inoltre verranno confrontati i nuovi 

materiali realizzati con i dosimetri a TL 

convenzionali sottoposti a fasci X di bassa 

energia. 





Dosimetria ESR per raggi X per applicazioni in campo medico 

Alanina 

Tartarato di ammonio 

In questa linea di ricerca verranno studiate le caratteristiche del segnale ESR 

(Risonanza di Spin Elettronico), dopo l’esposizione alla radiazione X, di vari 

composti organici (quali alanina, tartarato di ammonio, saccarosio) arricchiti 

con diversi dopanti che ne aumentano il numero atomico Z medio (gadolinio, 

nickel e rodio). 

Obiettivo 

Sviluppo di dosimetri a stato solido ESR sensibili a fotoni X nel range 

compreso fra 0,1 keV e 60 keV, per applicazioni in campo medico. 





1 continua 

Caratterizzazione spettroscopica di rivelatori CdTe e CZT per applicazioni plicazioni mediche 

Spettroscopia X (range 10-60 keV). 

Risoluzione energetica (FWHM) 4% a 22.1 keV 

Efficienza di rivelazione 100% (1mm thick) 

Obiettivi 

Realizzazione di sistemi portatili di rivelazione 

X e gamma per applicazioni mediche 

(caratterizzazione di sistemi mammografici) 

Pile-up 

! ! ! 

Elevati ratei di fluenza dei fasci mammografici 

(10 6 -10 

8 ph/mm 2 s) 





Caratterizzazione spettroscopica di rivelatori CdTe e CZT per applicazioni plicazioni mediche 

Misure di flusso ed energia 

Misura della risposta dei rivelatori (risoluzione energetica, efficienza, distorsioni 

spettroscopiche) e calibrazione. 

Studio sulla stabilità ed uniformità dei rivelatori. 

Studio delle abilità dei rivelatori al variare del rate dei fasci X. 

Test sulle performance dell’elettronica di read-out (stadio di preamplificazione e di 

shaping) al variare del rate dei fasci X. 

Test sulle performance di sistemi software per la reiezione e ricostruzione degli eventi 

di pile-up. 

Attività finanziate dall’ INFN 

(Esperimento XPRESS) 





Caratterizzazione di materiali utilizzati nei beni culturali 

RANGE 1 – 60 keV 

•Scattering di radiazione X su materiali porosi. 

La distribuzione angolare dell’intensit 

intensità della radiazione scatterata è determinata dalla 

distribuzione spaziale delle interfacce poro-matrice. Questa tecnica è sensibile, nella 

scala di porosità, , nel range 10 nm -10 

μm. 

•Assorbimento di radiazione X dura su materiali porosi 

Questa tecnica permette di misurare il grado di porosità del manufatto dal confronto di 

campioni standard che hanno la stessa composizione e spessore e porosità nota. 




Grazie della Vostra cortese attenzione

Il laboratorio LAX "Livio Scarsi" - IASF Palermo - Inaf

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