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In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un prototipo di spettrometro per sorgenti di raggi X, operante nell'intervallo energetico 5-20 keV, con risoluzione energetica migliore dell'1% e adatto per l'analisi di sorgenti con alti flussi.

Lo strumento è composto da un mono-cristallo piano in silicio e da un rivelatrore di immagini. Il cristallo si comporta da mezzo dispersore in quanto concentra in direzioni diverse i raggi X diffratti in corrispondenza di energie distinte. L'immagine di tale pattern, acquisita con il rivelatore di immagini, costituisce una misura diretta (non calibrata) dello spettro.

Lo spettrometro permette di studiare sorgenti che emettono fasci divergenti e nei quali non ci sia una dipendenza dell'energia dall'angolo di emissione rispetto all'asse ottico.
Il lavoro di tesi ha riguardato anzitutto lo studio teorico del fenomeno di diffrazione che ha permesso l'individuazione delle caratteristiche del cristallo (materiale, piani reticolari ecc.),
del rivelatore e della disposizione geometrica relativa (distanza sorgente-cristallo e cristallo-rivelatore) necessarie alla costruzione dello strumento. Un tale studio ha portato alla scelta del silicio (111) e di un rivelatore di immagini (HAMAMATSU C9728DK-10), costituito da uno strato di scintillatore a CsI depositato su una matrice di pixel costruita con tecnologia CMOS.

Successivamente è stato sviluppato un modello geometrico per la dispersione dei raggi X di un fascio policromatico e divergente, che ha permesso di ricavare la forma analitica della curva di dispersione. Essa mette in relazione la posizione in cui si concentra un fascio monocromatico diffratto all'energia dei fotoni che esso trasporta.
Tale modello tiene conto anche dell'allargamento di riga, dovuto alla rocking curve del cristallo e alla Point Spread Function del rivelatore.
A partire dal modello geometrico è stato scritto un software in grado di fissare i parametri geometrici dello strumento in funzione dell'intervallo energetico da analizzare.
Il prototipo presenta la seguente struttura: lungo l'asse ottico sono allineati la sorgente da analizzare, il campione di Si (111) e il rivelatore di immagini. E' possibile regolare le distanze e le altezze relative tra questi tre componenti.

L'attività sperimentale è stata condotta presso i laboratori di Fisica Medica dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Pisa. Sono state utilizzate due sorgenti di raggi X: un tubo a raggi X microfocus con anodo in tungsteno (W) (0-90 kV) e un secondo tubo con anodo in molibdeno (Mo) (0-50 kV). Entrambi i tubi presentano una finestra di uscita in berillio e uno spettro di bremsstrahlung con sovrapposte le righe dei raggi X caratteristici.
E' stata definita una procedura di calibrazione della curva di dispersione ed è stato messo a punto un test per la verifica e l'ottimizzazione di tale procedura. Gli spettri acquisiti sono stati calibrati sia in energia tramite la curva di dispersione, sia in altezza grazie alla conoscenza della risposta del rivelatore in funzione dell'energia dei fotoni rivelati.
Alla fine del test si è ottenuta la misura dello spettro caratteristico del tubo con anodo in W nell'intervallo 9-13 keV.
Infine, sono state acquisite più immagini dello spettro (calibrato) del Mo, al variare della distanza sorgente-rivelatore, per studiarne l'effetto sulla larghezza delle righe caratteristiche.

Lo strumento ha permesso una risoluzione energetica compresa tra 0.1% e 0.3% nell'intervallo 9-13 keV. Le energie delle righe caratteristiche del W sono state predette con una accuratezza media del 0.5%.
Dalla letteratura si sa che le risoluzioni energetiche ottenibili con il metodo spettroscopico standard, basato sull'analisi delle altezze di impulsi, sono dell'ordine del 4% usando un rivelatore a stato solido al Si(Li) e dello 2% usando un rivelatore a stato solido al Ge, a 5.9 keV. In quest'ultimo caso è necessario mantenere il rivelatore a 77°K (temperatura dell'azoto liquido). Lo spettrometro a cristallo sviluppato offre, dunque, dei miglioramenti in termini di risoluzione energetica.
Gli spettrometri a cristallo rappresentano una alternativa al metodo della analisi delle altezze di impulso per caratterizzare sorgenti ad alto flusso. Un esempio di tali sorgenti sono quelle a Back Scattering Thomson, i cui fasci presentano una struttura temporale a bunch, della durata dell'ordine di 10 ps e composti da un numero di fotoni dell'ordine di 10^9.

In futuro ci si propone di modificare l'attuale prototipo di spettrometro a cristallo, per renderlo adatto alla analisi di sorgenti a Back Scattering Thomson, che emettono fasci X policromatici, poco divergenti e con dipendenza dell'energia dall'angolo di emissione rispetto all'asse di propagazione. Inoltre, si mira a realizzare una versione compatta e portatile del presente prototipo.