Applicazioni di Imaging MedianteRadiazione THz
ENEA- Dipartimento Tecnologie Fisiche e Nuovi Materiali
Via E. Fermi 45, 00044 Frascati – Italy
I laboratori incontrano le imprese– Frascati,
25 Maggio, 2010
A.Doria, G.P. Gallerano, E.Giovenale, G. Messina, A.Petralia, V.Surrenti, I.Spassovsky
Outline
• Il FEL Compatto dell’ENEA
• Potenzialità dell’Imaging THz
• Imaging su Piante
• Studi su Beni Artistici
• Imaging e Risposta di Rivelatori
• Conclusioni
Il FEL Compatto al THz dell’ENEA
• Accordabilità da 90 a 150 GHzvariando la lunghezza della cavità risonante
• Operazione a larga banda
(∆ν∆ν∆ν∆ν/ν/ν/ν/ν=8% P = 10 kW in 60 ps,
P = 1.5 kW in 4 µµµµs)
• Operazione a singola frequenza
(P= 300 W in 4 µµµµs)
In un Laser ad Elettroni Liberi (FEL) elettroni di alta energia interagiscono con opportune strutture di campo magnetico (ondulatori magnetici) per generare radiazione elettromagnetica coerente
Ondulatore & Risonatore in Guida d’onda
LA FRASCATI FEL FACILITY ENEA
1 2 3
4
1: Linac - 2: PMD - 3: Camera da vuoto-Ondulatore - 4: Impianto RF
γ=4.56
Ip = 5 A
λU= 2.5 cm
N=16
Gap=10.4 mm
K=0.75
a=24 mm
b=6 mm
ωOUT=0.4-0.7 THz
CATS (Compact Advanced CATS (Compact Advanced CATS (Compact Advanced CATS (Compact Advanced ThzThzThzThz Source)Source)Source)Source)
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• Il FEL Compatto dell’ENEA
• Potenzialità dell’Imaging THz
• Imaging su Piante
• Studi su Beni Artistici
• Imaging e Risposta di Rivelatori
• Conclusioni
Le possibili aree di applicazione della radiazione THZ spaziano dalla Biomedicina alla Security, dall’analisi dei materiali agli studi
ambientali.
• La Radiazione THz attraversa la maggior parte dei materiali plastici, delle cellulose e dei tessuti.
• La Radiazione THz presenta un ridotto effetto di diffusione Rayleighrispetto al vicino infrarosso.
• Nonostante le limitazioni dovute all’assorbimento dell’acqua, le proprietà di penetrazione sono sufficienti per indagini sia superficiali che stratigrafiche di materiali biologici.
• La Microscopia in Campo Prossimo (Near Field) è un valido metodo utilizzabile per aumentare la risoluzione spaziale.
• L’uso di impulsi corti o di tecniche di misura di fase, possono aggiungere informazioni stratigrafiche in profondità.
Potenzialitàdell’Imagingnel THz
Imaging set-up
1. Guida di Luce
2. Cono Focheggiante
3. Diodo Schottky
4. Accoppiatore direz. 10 dB
5. Accoppiatore direz. 20 dB
6. Sonda WR6
7. Campione
8. Piano Motorizzato XY
9. Asse Motorizzato Z
Radiazione FEL THz
1
3
2
backwardreflected signal
4
5
forwardreference signal
6 7
8
9
Misure di risoluzione Spaziale @ 130 GHz
• Heidenhainreference target
λ = 2.6 mm
Pixel size 0.5 x 0.5 mm2
sampling rate: 5 pixel/s
Piano XY PI-M665 Motorizzato
Con motore piezo-elettrico
corsa 50 mm–vel. max 400mm/s
0.6 mm
1.3 mm
Terminazione WR-6
… ulteriori terminazioni
1 2
1.1. Da WRDa WR--6 a cono piramidale 6 a cono piramidale (terminazione 10 x 15 mm(terminazione 10 x 15 mm22))
2.2. Sezione rastremata Sezione rastremata (0.6 x 1.3 (0.6 x 1.3 toto 0.2 x 1.3 mm0.2 x 1.3 mm22))
0.2 mm
1.3 mm
0.6 mm
Incremento di risoluzione nella direzione orizzontale
Contrasto di Fase – Sensibilità alla Profondità
λ = 2.0 mm
WR-6 waveguide end + reflecting target
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 2 4 6
Target distance (mm)
Refl
ecte
d s
ign
al
(a.u
.)
Diffraction model
Exp. data
Uniformità di Fondo & Allineamento Angolare
La riflettività dei Pixel misurata in un’area di 20 x 20 mm2 indica
una variazione standard inferiore ad 1%
Inclinazione θ = 10 mrad
wedge direction
Specchio di Rame lavorato a Punta di Diamante - 50 mm dia. – rugosità 0.1 µm
Immagine THz
Pixel size 0.5 x 0.5 mm2 – sampl. rate: 5 pixel/s
La spaziatura delle curve di livello è in accordo con la
variazione di fase indotta dall’inclinazione angolare
Alla Ricerca di Dettagli Nascosti“I circuiti all’interno di una smart-card”
confronto tra i limiti di risoluzione spaziale
Immagine in Trasmissione@ 0.9 – 2.2 THz
Courtesy of K. Fukunaga, NICT - Japan
Immagine in riflessione (dettagli)
@ 0.15 THz
FEL Compatto ENEA – Frascati (I)
courtesy of K. Fukunaga - NICT
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• Imaging e Risposta di Rivelatori
• Conclusioni
Foglia vivente 2 hrs. dopo il taglio 24 hrs. dopo il taglio
1pixel � 0.5 x 0.5 mm2
Dimensione dell’immagine: 15 mm x 20 mmνννν = 130 GHz
Immagini THz di foglie di pomodoroLycopersicum esculentum
Giorno 8 Giorno 9 Giorno 10
Giorno 1 Giorno 2 Giorno 2 ingrandimento Giorno 3
Idratata Deidratazione
Dimesione dell’immagine: 25 mm x 20 mm
Vano tentativo di reidratazioneComparsa di acqua in superficie LA FINE
Agonia di una foglia di Broccolo attaccata alla pianta!
Brassicae olearacea var. italica
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• Studi su Beni Artistici
• Imaging e Risposta di Rivelatori
• Conclusioni
Conservazione dei Beni ArtisticiAnalysis of a painting made of natural pigments and gold( K. Fukunaga et al. IEICE Electr.Expr. 4,258 - 2007)
Immagine THz in trasmissione
@ 0.6 – 2.6 THzNICT - Japan
Immagine Visibile
Immagine THz in riflessione
@ 0.15 THz
FEL Compatto ENEA
Dettaglio linea rossa
Il contrasto è maggiore nell’area ricoperta da stucco
Parte coperta con “Gesso di Volterra”
Coperto
Scoperto
Campione a Tempera – dettagli della veste della Madonna
Misure congiunte NICT @ ENEA-Frascati I
Misure congiunte NICT @ ENEA-Frascati II
Innalzamento del Contrasto di Fase
90
E’ stato analizzato il profilo di fase di 4 differenti pigmenti disposti a mosaico. La distanza tra la guida d’onda terminale ed il campione può essere posta ad un valore per il quale la differenza tra I profili di fase può essere massimizzata.
Identificazione dei Pigmenti
E’ stato composto un mosaico con i 4 diversi colori già analizzati e ne è stata fatta una scansione THz 2D ad una distanza per cui il contrasto di fase è massimo. E’ possibile così distinguere spettroscopicamente 3 pigmenti su 4.
Analisi dei Pigmenti
• L’indice di rifrazione complesso può essere calcolato facendo il fit del profilo in z del segnale riflesso con un semplice modello teorico basato sulla diffrazione da apertura rettangolare.
BCO: Blue Cobalt Oil on COP plate
BCA: Blue Cobalt Acrylic on COP plateBCO & BCA
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 2 4 6
Position above plate (mm)
Re
fle
cte
d s
ign
al (a
.u.)
BCO Theoreticalmodel
BCO-01
BCA-01
3.100.111.42Balsam
8.350.281.32Wax
11.360.361.15Oil
8.060.261.30BCA
1.810.061.46BCO
25.010.811.04COP
α cm-1Im(n)Re(n)
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• Studi su Beni Artistici
• Imaging e Risposta di Rivelatori
• Conclusioni
Fabbricazione dei dispositivi e Test
Una etero-struttura di AlGaN/GaN è stata utilizzata per fabbricare transitor
ad elevata mobilità elettronica (HEMT). Il dispositivo opera come rivelatore di
radiazione a 150 GHz sia per rettificazione che per ”homodyne mixing”, a
frequenze quindi più elevate della frequenza di guadagno degli HEMT di 30 GHz.
Il primo dispositivo è un doppio gate GaN HEMT con frequenza di guadagno di 30 GHz. La dimensione
del canale è 4x40 µm, la lunghezza del gate è 250 nm.
Il secondo dispositivo è un FET modificato con un “multifinger gate”, tale da formare un accoppiatore a
reticolo per la radiazioneTHz. La dimensione del canale è 60x400 µm, la lunghezza del gate è 500 nm
100 µm1 µm
Immagine SEM del grating-gate Transconduttanza of the grating-gate FET
collaborazione tra ENEA, CNR-IFN, Selex S.I.
Verso lo Sviluppo di Reticoli di Rivelatori al THz
Schema del circuito di misura
I dispositivi sono incollati sulla scheda e
collegati fili di AL sulle piste di rame. Lo
schema di bias è standard con sorgente
comune, con l’uscita presa sul drain e filtrata
con un filtro passa-alto a 10 kHz.
Una mappa di riflettività (passiva) fornisce le coordinate di riferimento usate per sovrapporre l’immagine rivelata (attiva)
Il segnale sull’oscilloscopio è integrato nel tempo
durante la durata dell’irraggiamento FEL. Le immagini
della zona attiva sono prese normalizzando la tensione di
uscita dell’HEMT con quello della radiazione incidente.
E
La radiazione può essere polarizzata nelle
direzioni parallela od ortogonale al canale del
transistor ruotando il campione di 90°
E
Conclusioni• Un sistema di imaging in riflessione al THz è stato realizzato
come strumento versatile per lo studio di sistemi biologici.
• Risoluzioni spaziali oltre il limite di diffrazione sono state ottenute a 130 GHz con un set-up relativamente semplice. Ulteriori test verranno effettuati nel 0.4 – 0.7 THz.
• Tecniche di sensibilità alla fase possono essere sfruttate per aumentare il contrasto.
• Possono essere studiate condizioni di idratazione e stress nellepiante.
• L’imaging al THz si è dimostrato essere uno strumento diagnostico per la conservazione di beni artistici.
• Lo sviluppo di matrici di rivelatori al THz e di tecniche di analisi a medio range (10 – 100 m) ed a lungo range, saranno cruciali per gli studi in campo ambientale e per la “Security & Defense”.
Courtesy of X.C.ZhangRPI, Troy