• datazione al carbonio
• isobaro
• spettrometria di massa con acceleratore
• tempo di volo

Questo lavoro di tesi si è svolto presso il laboratorio di tecniche nucleari per i beni culturali LABEC di Firenze e si colloca nell'ambito dell'esperimento RIDAGMA (Riduzione dell'Incertezza nelle Datazioni Archeometriche Geologiche e in Misure Ambientali) di gruppo V dell'INFN. Al LABEC è installato un acceleratore elettrostatico di tipo Tandem che viene utilizzato sia per applicazioni nel campo dell'analisi con fasci di ioni (Ion Beam Analisis, IBA) sia per applicazioni di spettrometria di massa con acceleratore (Accelerator Mass Spectrometry, AMS).
Questa tecnica permette di misurare la concentrazione di una particolare specie atomica all'interno di un campione raggiungendo sensibilità molto più alte rispetto alle tecniche di spettrometria tradizionali. La sua peculiarità è quella di riuscire a risolvere i problemi derivanti dalla presenza di vari tipi di isobari (atomici o molecolari) dell'elemento di interesse, che ostacolano e talvolta impediscono una misura di spettrometria. Per questo motivo trova la sua principale applicazione nella rivelazione di particolari radionuclidi rari, presenti in natura in percentuali molto basse rispetto ai relativi isotopi stabili. Alcuni di questi radionuclidi possono essere impiegati come tracciatori o cronometri naturali nei più svariati ambiti: da quello archeometrico a quello ambientale, biomedico e idro-geologico e per questo motivo sono oggetto di un crescente interesse scientifico.
La linea AMS del LABEC ad oggi è dedicata principalmente a misure di concentrazione di 14C, un radionuclide utilizzato per datare reperti di natura organica. Ai fini della misura il campione da analizzare viene pretrattato, ridotto a grafite e inserito in una sorgente di ioni negativi di tipo "sputtering". Gli ioni prodotti vengono selezionati in energia su carica e in massa su carica per poi essere iniettati nel Tandem e accelerati ad un'energia finale di circa 10 MeV. Attraversando il terminale di alta tensione dell'acceleratore, tenuto a 2,5 MV, gli ioni attraversano un canale in cui fluisce argon e dopo aver subito un processo di "stripping" assumono uno stato di carica positivo. Questo processo provoca la distruzione degli isobari molecolari interferenti (12CH2 e 13CH) permettendone la rimozione mediante una successiva analisi elettrostatica e magnetica; soltanto gli ioni di radiocarbonio raggiungono la parte finale della linea dove vengono contati tramite un rivelatore al silicio. Le misure AMS sono fatte per confronto con un campione "standard" (con concentrazione nota di radiocarbonio) e uno "blank" (nominalmente privo di radiocarbonio) trattati allo stesso modo del campione di interesse, che permettono una stima del fondo e dell'errore sistematico.
Tuttavia le tecniche di selezione non sono in grado di rimuovere definitivamente tutti gli isotopi interferenti 12C e 13C originatisi dalla frammentazione degli ioni molecolari, che possono percorrere particolari traiettorie e raggiungere condizioni di energia-stato di carica tali da superare le selezioni simulando eventi dell'isotopo raro. Sebbene nelle misure convenzionali di radiocarbonio non si presentino problemi, nel caso si vogliano fare misure in ultratraccia (rapporti 14C/12C inferiori a 10^(-15)) o con isotopi diversi (tipo iodio 129I, molto utilizzato in ambito idrogeologico) occorre dotare la linea AMS di ulteriori rivelatori e sistemi di diagnostica. Con l'obiettivo di individuare e quantificare la presenza di questi contaminanti è nato l'esperimento RIDAGMA che ha previsto l'installazione di nuovi sistemi di discriminazione sulla linea AMS, primo tra tutti un sistema di tempo di volo (TOF).
Questo dispositivo permette di distinguere isotopi di massa diversa ed energia simile, in base al tempo che impiegano a percorrere una certa distanza fissata. Nel progetto che è stato sviluppato, per ottenere la marca di tempo di Start, gli ioni sono fatti passare attraverso un sottile foglio di materiale disposto a 45° rispetto alla direzione di volo, successivamente un Microchannel plate (MCP) raccoglie gli elettroni emessi generando il segnale. Questa configurazione rappresenta la migliore soluzione considerando le condizioni di misura (in particolare l'energia degli ioni) e la risoluzione temporale massima ottenibile è determinata principalmente dallo "straggling" energetico subito dal fascio nell'attraversamento del foglio.
Da una serie di studi e simulazioni si evince che un foglio di 50 nm di carbonio consente la perfetta separazione dei tre isotopi del carbonio, mentre per lo iodio lo spessore deve essere ridotto a 15 nm. Con questa stessa modalità si può ottenere anche il segnale di Stop. Alternativamente tale segnale può essere ottenuto utilizzando il rivelatore al silicio, altrimenti impiegato per avere una misura dell'energia residua degli ioni. Quest'ultima configurazione è utilizzabile soltanto nelle misure di tempo di volo relative al carbonio a causa della peggiore risoluzione temporale intrinseca del silicio rispetto al MCP.
Per testare il funzionamento del MCP, esso è stato sottoposto ad una fase di test su una linea IBA che, tramite un doppio sistema di deflessione, permette di dar vita ad un fascio pulsato di ioni con frequenza regolabile. Nello stesso tempo è stata allestita una catena elettronica idonea all'acquisizione dei segnali il cui elemento principale è costituito da un'unità logica che gestisce le modalità di misura, generando i segnali di trigger che abilitano i moduli attivi e controlla la validità degli eventi. L'acquisizione dei dati elaborati viene gestita da una cpu VME. Da misure preliminari effettuate con ioni carbonio, in una configurazione provvisoria sulla nuova linea AMS, sembra effettivamente presente una percentuale di isotopi di massa inferiore rispetto all'isotopo raro.
Il mio lavoro di tesi si è incentrato principalmente sullo studio delle prestazioni del tempo di volo. In particolare ho effettuato alcuni test sul singolo stadio del TOF e misure preliminari sul nuovo canale AMS. Il lavoro svolto è stato ad ampio spettro: mi sono occupata parzialmente della realizzazione hardware del sistema di tempo di volo e dello sviluppo del software sia per l'acquisizione su VME sia per quanto riguarda la programmazione della logica di trigger. Ho infine svolto sia una parte di simulazione per dare una stima delle distribuzioni di tempo e di energia in caso di un'eventuale contaminazione da isobari in condizioni di rumore dei rivelatori prossime a quelle attese, che l'analisi successiva alla presa dati.