Presentazione di PowerPoint

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Tesi di laurea Esplorazione di oggetti nel
sistema solare mediante emissione di raggi X
sviluppo di strumenti di simulazione fisica e
applicazione alla missione Bepi Colombo su
Mercurio
Candidato Elena Guardincerri
Relatore Dr. M.G.Pia
Correlatore Dr. M. Pallavicini
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Introduzione

• Lavoro di tesi svolto
• nellambito e della missione spaziale Bepi
  Colombo su Mercurio (HERMES)
• in collaborazione con la Science Payload
  Technology Division dellESA
• Scopo dellattività
• Realizzazione e validazione degli strumenti
  necessari per la simulazione di HERMES per
  ottimizzazione del rivelatore e della misura
• Costruzione del primo nucleo di quella che sarà
  la simulazione dellesperimento

Contenuto della tesi

• Introduzione allesperimento, alla misura, agli
  strumenti utilizzati
• Descrizione dellattività svolta
• Sviluppo e test del package per la deeccitazione
  atomica in Geant4
• Sviluppo di unapplicazione per la simulazione di
  un test su fascio e confronto dei risultati da
  essa prodotti con dati sperimentali
• Primo approccio al problema della modellizzazione
  dellambiente di radiazione di Mercurio

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Il pianeta Mercurio
Distanza dal Sole 0.38 AU Raggio medio 2400 km
(0.4 RE) Volume 0.054 VE Periodo di rotazione
58.6 giorni Temperatura superficiale media 440
K Irraggiamento solare 14490 W/m2
Solamente la sonda Mariner 10 è passata in
prossimità del pianeta nel 1974-1975 Mercurio è
il più piccolo e denso tra i pianeti
terrestri Ha un debole campo magnetico e ai
suoi poli potrebbero trovarsi calotte ghiacciate
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Le domande aperte

• Cosa cè sullemisfero nascosto di Mercurio?
• Quale è stata levoluzione geologica del pianeta?
• Qual è la composizione chimica della sua
  superficie?
• Perché la densità di Mercurio è così elevata?
• Qual è la struttura interna di Mercurio?
• Cè un nucleo esterno liquido?
• Qual è lorigine del campo magnetico?
• Come interagisce il campo magnetico planetario
  con
• il vento solare in assenza di una ionosfera?
• E presente ghiaccio dacqua ai poli?

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La missione Bepi Colombo

• Proposta nel 1993 è classificata
• come Cornerstone Mission
• Missione scientifica multi-disciplinare
• Velivolo composto di 3 moduli per
• la strumentazione scientifica più
• due per la propulsione
• Mercury Planetary Orbiter
• Mercury Magnetospheric Orbiter
• Mercury Surface Element
• Modulo a propulsione chimica
• Modulo a propulsione solare
• Partenza prevista tra il 2007 e il 2012 secondo
  il tipo di lancio
• Lancio singolo con modulo a propulsione chimica

Durante la crociera si sfrutterà il campo
gravitazionale di Venere
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Lesperimento HERMES
Scopo determinazione della composizione chimica
della superficie di Mercurio mediante
spettroscopia a raggi X
Obiettivo ultimo discriminazioni tra le
differenti teorie sullorigine del pianeta
Strumenti Spettrometro a raggi X monitor per
la radiazione solare diretta
Entro fine anno sarà effettuata la scelta dei
rivelatori tra quelli proposti da gruppi diversi
Questo lavoro di tesi supporta lattività della
Science Payload Technology Division dellESA che
studia rivelatori a semiconduttori composti
Interesse per applicazione ad altre missioni di
esplorazione del sistema solare (asteroidi, lune)
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Semiconduttori composti
Capacità di operare a temperature
ambiente Risoluzione in energia prossima al
Fattore di Fano Elevato stopping power per i
raggi X Intrinsecamente resistenti al danno da
radiazione Abbisognano di poca potenza
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Le teorie sullorigine di Mercurio

• Due questioni aperte
• La densità della nebulosa solare durante la
• formazione dei pianeti è bassa in corrispondenza
  dellattuale orbita di Mercurio
• La densità incompressa di Mercurio (5.3 g/cm3)
  è superiore a quella degli altri pianeti terrestri

Mercurio
Marte
Asteroidi
Il rapporto tra le quantità di ferro e di
silicati è, nel caso di Mercurio, estremamente
alto, pur essendo il pianeta povero in ferro
Sono state proposte diverse teorie per spiegare
lorigine di Mercurio ed ognuna prevede una
diversa composizione chimica per la sua superficie
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La fluorescenza
Una particella o un fotone incide su di un atomo
Per effetto fotoelettrico o ionizzazione vengono
scalzati uno o più elettroni nei livelli
dellatomo si generano alcune vacanze
Gli elettroni nei livelli occupati compiono
transizioni verso quelli vuoti perché
lenergia risulti conservata viene emesso un
fotone X
Lenergia del fotone emesso è caratteristica
dellelemento
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Il toolkit di simulazione Geant4

• Geant4 è un toolkit per la simulazione
• del passaggio delle particelle attraverso
• la materia.
• E dotato delle funzionalità necessarie
• per la simulazione del comportamento
• di un rivelatore
• Geometria
• Tracciamento
• Risposta del Rivelatore
• Run
• Event
• Particle and Track management
• Visualizzazione e
• Interfaccia Utente (UI).
• Consente di scendere anche a basse

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Estensioni a basse energie
Necessità di riprodurre emissioni di fluorescenza
a basse energie (C,N,O) Geant4 è lunico sistema
Monte Carlo che consente di scendere fino a 250 eV
Raggi cosmici Elettroni gioviani
Raggi X solari, e, p
Geant3.21
Emissioni X indotte per la determinazione della
composizione superficiale (fino a profondità 100
mm)
ITS3.0, EGS4
Geant4
Applicazioni astrofisiche
Studio mediante raggi X di pianeti, asteroidi e
lune
Incluse linee di emissione C,N,O
Altre applicazioni
Esperimenti di astroparticelle underground Fisic
a Medica
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La diseccitazione atomica in Geant4
Il package per la generazione di fluorescenza si
trova allinterno della categoria Low Energy
Electromagnetic Physics di Geant4, che gestisce i
processi elettromagnetici a basse energie

• Esso simula il processo di deeccitazione di un
  atomo ionizzato in seguito a
• Effetto fotoelettrico
• Ionizzazione indotta da elettroni
• Ionizzazione indotta da adroni o ioni

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Il package per la diseccitazione atomica

• Dati utilizzati provenienti dalla libreria di
  Livermore EADL (Evaluated Atomic Data Library)
• Operazioni effettuate
• Lettura dei dati
• Organizzazione e gestione dei dati
• Selezione del tipo di transizione atomica da
  effettuare e dei livelli energetici coinvolti
• Generazione dei fotoni di fluorescenza
• Procedimento ripetuto finchè latomo è in grado
  di generare fotoni con energia superiore a una
  determinata soglia
• Fotoni passati ai processi responsabili della
  ionizzazione dellatomo cui compete la
  generazione dello stato finale

Contributo a OOAD sviluppo unit
tests test di accettazione
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Tecniche e metodologie adottate
Uso di tecniche avanzate di software tecnologie
Orientate allOggetto (OOAD, OOP, applicazione
di design patterns) ? apertura allestensione,
modularità, mantenibilità importanti per missione
su lunga scala temporale ? massimizzazione del
riuso del software componenti sviluppate per
test su fascio e riutilizzabili per la
missione Uso di metodologie avanzate di software
adozione di Processo di Software (processo
iterativo e incrementale basato su Unified
Software Development Process, seguendo lo
standard ISO 15504) ? ottimizzazione della
qualità del software, critica per una missione
spaziale ? ottimizzazione dellefficienza di
produzione del software nei tempi stretti della
preparazione per lAnnouncement of Opportunities
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Test su fascio
Irraggiati campioni di diversi Materiali puri
presso lacceleratore di Bessy II
Fascio di fotoni monoenergetico
Rivelatore di germanio
Ricavati spettri di fluorescenza di

• rame
• ferro
• alluminio

• silicio
• titanio
• acciaio inossidabile

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Simulazione
Lapplicazione di simulazione riproduce la
configurazione sperimentale del test su fascio
campione

• Attraverso il confronto dei risultati
  sperimentali
• Con quelli prodotti dallapplicazione si vuole
• Verificare il corretto funzionamento del
  toolkit
• Geant4 in generale, e in particolare dei processi
  
• fisici di interesse per la missione
• Caratterizzare la risposta del rivelatore
  utilizzato per il test, allo scopo di riprodurre
  nella simulazione gli effetti da esso introdotti
  nella realizzazione degli spettri

rivelatore
diaframma
Fascio incidente

• Principali caratteristiche
• Possibilità di modificare interattivamente
  geometrie e materiali
• Caratterizzazione del rivelatore in termini di
  efficienza e funzione risposta
• Possibilità di ricavare istogrammi delle
  quantità fisiche che interessano

Il sistema di simulazione è realizzato, mediante
luso di tecnologie Orientate allOggetto, in
modo da poter essere facilmente modificato ed
esteso esso costituisce il nucleo di quella che
sarà lapplicazione di simulazione per
lesperimento HERMES
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PRINCIPALI TRANSIZIONI RADIATIVE DEL FERRO
Validazione del modello fisico Risultati
Irraggiamento di un campione di ferro con un
fascio di fotoni di 8 keV Evidenti le righe
spettrali principali Posizione delle righe ed
altezze relative in accordo con le tabelle di
riferimento
transizione K?
Transizione Probabilità Energia di
di transizione transizione(eV) K L2
1.01391 -1 6349.85 K L3
1.98621 -1 6362.71 K M2
1.22111 -2 7015.36 K M3
2.40042 -2 7016.95 L2 M1
4.03768 -3 632.540 L2 M4
1.40199 -3 720.640 L3 M1
3.75953 -3 619.680 L3 M5
1.28521 -3 707.950
transizione K?
Correttezza dei risultati dal punto di vista
fisico
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Validazione del modello di rivelatore Confronto
Si è eseguito il fit dei picchi principali degli
spettri ottenuti I picchi sono stati
approssimati con funzioni gaussiane di cui si
sono ottenute media e varianza
dati da simulazione
dati sperimentali
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media
varianza
Errore percentuale sui valori medi lt 1
Errore percentuale sulle varianze lt 10
dati sperimentali dati da simulazione
dati sperimentali dati da simulazione
Lapplicazione di simulazione fornisce risultati
consistenti con quelli sperimentali
errori percentuali
errori percentuali
Può essere ragionevolmente utilizzata per
predire le capacità di misura del rivelatore
nel contesto della missione spaziale
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Lambiente di radiazione di Mercurio
?
mancanza di dati sperimentali modelli ottenuti
estrapolando dati relativi a 1 AU alta
variabilità dellattività solare
incertezza

• Principali contributi
• Fotoni solari
• Protoni solari
• Elettroni solari
• Raggi X e ? di provenienza cosmica
• Protoni e particelle ? di provenienza cosmica

In questo lavoro si è considerato
preliminarmente il contributo dovuto ai fotoni
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Lutilizzo dei modelli

• Fotoni solari spettri di energia relativi ad 1
  AU tabulati da 1 keV a 10 keV
• interpolazione secondo

• estrapolazione, tra 0 e 1 keV, con
• funzione costante e funzione
• esponenziale
• Fotoni cosmici spettro di
• energia espresso mediante formula
• analitica da 1 keV a 1 GeV

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Risultati

• Irraggiamento di un campione di basalto con
  fotoni solari e cosmici
• simulazione di diversi livelli di attività
  solare
• utilizzo di estrapolazioni diverse
  nellintervallo 0 keV, 1 keV
• riproduzione degli spettri di fluorescenza
  relativi ad 1 min di irraggiamento ad 1 AU

O
Si
Al
Mg
Ca

• attualmente visibili solo gli elementi più
  leggeri
• (energia della transizione K? dellossigeno 0.52
  keV)
• contributo dei fotoni cosmici trascurabile

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Conclusioni
Validazione della Fisica
Modellizzazione della Fisica
Package per la generazione di fluorescenza
Modellizzazione del rivelatore
Validazione con Test su fascio
Applicazione di simulazione
Modellizzazione ambiente di radiazione e
campione
Fattibilità della misura
Package di modelli di radiazione spaziale
Package per la deeccitazione atomica incluso nel
toolkit Geant4 Applicazione di simulazione
inclusa come Advanced Example in Geant4
Lavoro presentato in conferenze 21st Century
Monte Carlo Methods for Space Applications,
SPIE, CHEP01-Computing in High Energy Physics
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Obiettivi per il futuro

• Modelizzazione del rivelatore
• Descrizione accurata della geometria del
  velivolo e modellizzazione
• della superficie di Mercurio
• Modellizzazione completa dellambiente di
  radiazione di Mercurio
• Discriminazione dei diversi contributi di
  segnale e di rumore, e
• determinazione delle tecniche per lanalisi
  degli spettri di fluorescenza
• Stima del danno da radiazione al rivelatore
  durante la missione