Applicazioni di Imaging Mediante Radiazione...

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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• 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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• 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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• 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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• 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

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