Tesi di laurea

1. 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

2. Introduzione • Lavoro di tesi svolto • nell’ambito e della missione spaziale Bepi Colombo su Mercurio (HERMES) • in collaborazione con la Science Payload Technology Division dell’ESA • Scopo dell’attività: • 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 dell’esperimento Contenuto della tesi • Introduzione all’esperimento, alla misura, agli strumenti utilizzati • Descrizione dell’attività svolta: • Sviluppo e test del package per la deeccitazione atomica in Geant4 • Sviluppo di un’applicazione per la simulazione di un test su fascio e confronto dei risultati da essa prodotti con dati sperimentali • Primo approccio al problema della modellizzazione dell’ambiente di radiazione di Mercurio

3. 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

4. Le domande aperte • Cosa c’è sull’emisfero nascosto di Mercurio? • Quale è stata l’evoluzione 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? • C’è un nucleo esterno liquido? • Qual è l’origine del campo magnetico? • Come interagisce il campo magnetico planetario con • il vento solare in assenza di una ionosfera? • E’ presente ghiaccio d’acqua ai poli? • Quali sostanze volatili compongono l’esosfera? • Quali nuovi vincoli si possono porre sulla teoria della • relatività generale?

5. 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 • Lancio singolo con modulo a propulsione solare • Lancio doppio con modulo a propulsione solare Durante la crociera si sfrutterà il campo gravitazionale di Venere

6. L’esperimento HERMES Scopo:determinazione della composizione chimica della superficie di Mercurio mediante spettroscopia a raggi X Obiettivo ultimo:discriminazioni tra le differenti teorie sull’origine 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 l’attività della Science Payload Technology Division dell’ESA che studia rivelatori a semiconduttori composti Interesse per applicazione ad altre missioni di esplorazione del sistema solare (asteroidi, lune)

7. 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

8. Le teorie sull’origine di Mercurio • Due questioni aperte: • La densità della nebulosa solare durante la • formazione dei pianeti è bassain corrispondenza dell’attuale 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 l’origine di Mercurio ed ognuna prevede una diversa composizione chimica per la sua superficie

9. 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 dell’atomo si generano alcune vacanze Gli elettroni nei livelli occupati compiono transizioni verso quelli vuoti: perché l’energia risulti conservata viene emesso un fotone X L’energia del fotone emesso è caratteristica dell’elemento

10. 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 • energie (250 eV) fluorescenza

11. Estensioni a basse energie Necessità di riprodurre emissioni di fluorescenza a basse energie (C,N,O) Geant4 è l’unico 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” Fisica Medica

12. La diseccitazione atomica in Geant4 Il package per la generazione di fluorescenza si trova all’interno 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

13. 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 l’atomo è in grado di generare fotoni con energia superiore a una determinata soglia • Fotoni passati ai processi responsabili della ionizzazione dell’atomo cui compete la generazione dello stato finale Contributo a OOAD sviluppo unit tests test di accettazione

14. Tecniche e metodologie adottate • Uso di tecniche avanzate di software: • tecnologie Orientate all’Oggetto • (OOAD, OOP, applicazione di design patterns) •  apertura all’estensione, 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 metodologieavanzate di software: • adozione diProcesso 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 dell’efficienza di produzione del software nei tempi stretti della preparazione per l’Announcement of Opportunities

15. Test su fascio Irraggiati campioni di diversi Materiali puri presso l’acceleratore di Bessy II Fascio di fotoni monoenergetico Rivelatore di germanio Ricavati spettri di fluorescenza di: • rame • ferro • alluminio • silicio • titanio • acciaio inossidabile

16. Simulazione L’applicazione di simulazione riproduce la configurazione sperimentale del test su fascio campione • Attraverso il confronto dei risultati sperimentali • Con quelli prodotti dall’applicazione 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 l’uso di tecnologie Orientate all’Oggetto, in modo da poter essere facilmente modificato ed esteso: esso costituisce il nucleo di quella che sarà l’applicazione di simulazione per l’esperimento HERMES

17. 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

18. 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

19. media varianza Errore percentuale sui valori medi < 1 % Errore percentuale sulle varianze < 10 % dati sperimentali dati da simulazione dati sperimentali dati da simulazione L’applicazione 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

20. L’ambiente di radiazione di Mercurio  mancanza di dati sperimentali modelli ottenuti estrapolando dati relativi a 1 AU alta variabilità dell’attività 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

21. L’utilizzo 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

22. Risultati • Irraggiamento di un campione di basalto con fotoni solari e cosmici: • simulazione di diversi livelli di attività solare • utilizzo di estrapolazioni diverse nell’intervallo [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 dell’ossigeno: 0.52 keV) • contributo dei fotoni cosmici trascurabile

23. 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

24. Obiettivi per il futuro • Modelizzazione del rivelatore • Descrizione accurata della geometria del velivoloe modellizzazione • della superficiedi Mercurio • Modellizzazione completa dell’ambiente di radiazione di Mercurio • Discriminazione dei diversi contributi di segnale e di rumore, e • determinazione delle tecniche per l’analisi degli spettri di fluorescenza • Stima del danno da radiazione al rivelatore durante la missione