DIAGNOSTICHE FISICHE IN ENEAold.enea.it/com/inf/dir/Tematiche/Tema9_DiagnosticaFisic... · 2007. 1....

Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)

DIAGNOSTICHE FISICHE IN ENEA

Passato, presente e futuro Sviluppi e strategia


Panorama

diagnostiche ottiche ed elettroottiche (laser, sensoristica);diagnostiche nucleari e con radiazioni ionizzanti;

Unità di competenza: FIS-LAS e FIS-ACC (Frascati)FIS-MET (Bologna)FUS-MAG, FUS-TEC, FUS-ING (Frascati)

Numero di addetti: 45 laureati, 28 tecnici (20% TD)


Obiettivi correnti

Unità FIS:Sviluppo di tecnologie e metodologie per il sistema paese [Ambiente, Beni Culturali, Trasporti, Agro-alimentare, Materiali, Industria]

Unità FUSCaratterizzazione di processi in reattori per la fusione termonucleare controllata

Fonti di finanziamento principali: MIUR (FIRB, RI l.ge 297, PON-FESR, PNRA), Commesse industriali e da Enti locali, VI FW EC.

Fonte di finanziamento principale: EURATOM


LASERLASERCompetenze e risorse umane /1

Diagnostiche ottiche ed elettroottiche (FIS)Visione Laser per Morfologia e Ricostruzione di superfici, Visualizzazione e Modellistica 2D e 3DSensori in Fibra Ottici ‘FBG’ per Monitoraggi Strutturali Tecnologie Laser per Diagnostiche Remote e Locali (tecniche lidar e spettroscopiche)Diagnostiche Fisiche a Frequenze del THzMicroscopia a raggi-X molli con metodo “a contatto”

RU

5 L, 2 T

2 L, 1 T

9 L + 3L4 T

2 T

4 L, 2 T

3 L


Tecnologie laser per ricostruzione di ambienti e controlli sul territorio

Laser range finder per la caratterizzazione di superfici nella tutela dei Beni Culturali e la ricostruzione 3D di modelli di oggetti e ambienti

Struttura monitorata

Sensori FBG

Fibra otticaSistema di analisi

Schema del sistema di monitoraggio di strutture mediante sensori di tipo FBG


Tecnologie Laser per il telerilevamento ambientale: sistemi mobili da campo

Sistemi lidar FluorosensoriFluorescenza di composti naturali (vegetazione, acqua

e pigmenti) e/o inquinanti (oli e derivati)

•Controllo ambientale•Oceanografia •Biologia vegetale

Sistemi lidar AtmosfericiBackscattering da particolato e aerosol(clima, inquinamento)Lidar DIAL (Differential Absorption lidar)(concentrazione di inquinanti risolta in range)

Sistemi laser per il territorio• LIBS

Analisi elementare dei componenti Reperti archeologiciTerreni inquinati e acque

• Scanning LIFDipinti o affreschi (Beni culturali)

• Citometro laser a scansioneDimensioni di microparticelle

Lidar/DIAL atmosferico IR ed UVLidar/DIAL atmosferico IR ed UVInquinanti (SO2, NO2, O3 e C6H6)Sostanze naturali (carico aerosolico, vapor acqueo, velocità del vento)Limite di rivelazione ppm e ppb

Utilizzo dei dati per la ricalibrazione di immagini satellitari della superficie marina con determinazione della biomassa (misure di produttività primaria)

Laboratorio lidar fluorosensore a bordo della M/N Italica durante le campagne Antartiche

Fluorimetro laser


Attività fotosintetica di una foglia infettata da un patogeno. Diversa distribuzione dei pigmenti e differente attivitàfotosintetica sull’intera superficie fogliare.

Attività fotosintetica di una foglia di pomodoro sottoposta a stress idrico (in alto) In basso il controllo.

Diagnostiche ottiche per l’agro-alimentareMisure di riflettanza, fluorescenza ed emissione di bio-gas (etilene) per valutare la freschezza dei prodotti e l’assenza stress fisico o da patogeni


THz imaging mediante sorgenti laser accordabili modulate in ampiezza

THz imaging di corpi contundenti rivelati attraverso una borsa di cuoio

Sistema per THz imaging basato sulla radiazione accordabile emessa dal FEL realizzato a Frascati nella sezione FIS-ACC

THz imaging di campioni biologici: informazioni sullo stato di idratazione di una foglia


Microscopia a contatto per raggi-X molli con rivelatore di LiF

Metodo innovativo di rivelazione di immagini sub-micrometriche prodotte mediante radiazione X di energia compresa tra 10 eV e 10 keV, basato su difetti puntiformi luminescenti in film sottili o cristalli lucidati di LiF, caratterizzato da:

► alta risoluzione spaziale► elevata dinamica dei contrasti► ampio campo di vista► maneggevolezza► possibilità di analisi in vivo

Micro-radiografia di un ala di farfalla (Pyrrhesoma nymphula)

Radiografia-X del polline di Lilium

Polline di Lilum, fotografato al microscopio ottico


Competenze e risorse umane /2

Diagnostiche nucleari e con radiazioni ionizzanti (FIS)Tecniche di Spettroscopia Neutronica e Positronica per l’analisi di materialiRadiometria: datazioni, spettrometria α, β e γ

RU

9 L, 3 T

3 L, 3 T

Laboratorio di RadiometriaLinea di sintesi del benzene per analisi C-14

Schema di apparato SANS per analisi microstrutturali di materiali mediante fasci di neutroni


Sviluppo e applicazione tecniche innovative di analisi e diagnostica per materiali

Sviluppo e applicazione tecniche diagnostiche per l’analisi del comportamento della radiazione e dei sistemi di rivelazione

Analisi radiale dello stress residuo in un disco di un compressore mediante CDB (Coincidence Doppler Broadening)

-3 -2 -1 0 1 2 3

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

∆ΡΤ

∆60ϒΧ

∆=(ρ−ρΑλ)/ρΑλ

πΛ(α.υ.)

Software di analisi dei moduli di un rivelatore pixellato

•Calibrazione delle singole unita’(pixel)•Efficienza di rivelazione•Risoluzione spettrale•Distribuzione delle adiacenze•Valutazione effetti di bordo•Efficienza della ricostruzione del pixel di incidenza


Competenze e risorse umane /3(Tutti impegnati anche nello sfruttamento di FTU, JET e nel

programma scientifico e tecnologico di ITER)

Diagnostiche su reattori fusionistici (FUS)Diagnostiche Spettroscopiche nel visibile, bolometria, Motional Stark Effect, Scattering Thomson, analizzatori di particelle neutreDiagnostiche Spettroscopiche nell’infrarosso e microonde Diagnostiche Spettroscopiche dall’ultravioletto ai raggi XDiagnostiche Tomografiche, sonde elettricheDiagnostiche NeutronicheSistemi LIVVS, elettronica veloce e analisi dati

RU

6 T

3 L

4 L

3 L

2 L

6 L, 3 T

3 L, 2T


La fusione richiede l'uso di diagnostiche complesse per la misura dei parametri di plasma

FTU


Esempio di evoluzione profili densità

t [s]r [m]

QuickTimeª and aTIFF (LZW) decompressor

are needed to see this picture.

Sistemi realizzati - visibile e infrarosso

Iniettore di neutri associato alla diagnostica MSE (visibile) montato sulla macchina FTU

Interferometro IR a CO2 per misura di profili di densità di FTU. ∆R = 1 cm, ∆t = 62 µs


Sistemi realizzati - neutronica, neutri, soft X

γ

n

NEUTRONICAacquisizione ed elaborazione digitale (14-bit e 200 MS/s) di impulsi veloci (scintillatori e CVD):

- discriminazione neutroni/ gamma

- spettri in real time- elevato rate di conteggio

NEUTRIPrototipo di uno shutter piezoelettrico per l’analizzatore di neutri (E<5keV) per satellite esplorazione della magnetosfera di Mercurio (collaborazione IFSI)

UV-soft XPrototipo camera a 128 pixels - rivelatore ed elettronica di front-end (spin off assieme ad un interferometro nel lontano IR)


Camera bidimensionale per raggi XRivelatore ad alta risoluzione temporale (continua) e spettralesviluppato a Frascati per FTU e richiesto da altri laboratori internazionali

Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL)(NSTX)

Intensità dell'emissione X (2-8 keV)misurata in un millisecondo dal prototipo installato su NSTX


Progettazione Radial Neutron Camera di ITER

Scopo Diagnostica: misura della distribuzione spaziale e temporale della potenza di fusione

Attivita’ in corso: •ottimizzazione layout 21 linee di vista

• codice MCNP trasporto neutronico

• sviluppo rivelatori (counting and fast neutron spectroscopy)

Tecnologie emergenti con esigenza di Diagnostiche Fisiche

Micro- e nanotecnologie per sensoristica, optoelettronica e fotonica (dispositivi emettitori, ricevitori, sistemi di trasmissione dei segnali, biosensori e bio-chip).Tecnologie per le telecomunicazioni e per l’esplorazione di ambienti ostili, volte anche allo sfruttamento di risorse terrestri finora non utilizzabili (in Antartide o su fondali marini ad alta profondità). Tecnologie associate alle diagnostiche per immagini, con sviluppo di sensori innovativi, sistemi e tecniche di imaging e sistemi di restituzione anche multidimensionale e multimediale, principalmente in campo biologico e medico.


Attività Strategiche basate su Diagnostiche Fisiche

Principali settori applicativi identificati:1. settore aerospaziale per l’esplorazione

spaziale e planetaria, inclusa quella terrestre in ambienti ostili [expertise ENEA 55 unità (FIS, FUS, CAMO)]

2. settore sicurezza nazionale, comprendendo gli aspetti sia della sicurezza militare e antiterrorismo che della protezione civile [expertise ENEA 50 unità (FIS, FUS, CLIM, INFO)]

3. settore biologico: medicale (imaging) e agro-alimentare

[expertise ENEA 35 unità(FIS, MAT, BIOTEC)]

Rete di sensori FBG su Star Tracker

Minilidar LIF da UAV

Visualizzazione 3D di TAC su torace e addome


Sviluppo di tecnologie e metodologie diagnostiche mirate all’esplorazione spaziale e planetariaCaratterizzazione e certificazione di materiali per lo spazio, sia con diagnostiche spettroscopiche (neutroniche e positroniche) che strutturali (tecniche laser interferometriche e Speckle, vibrometria laser coerente). Sviluppo di rivelatori per radiazione ionizzante (raggi γ, raggi X duri e molli, neutroni, emissioni da plasmi) e dei relativi sistemi di allineamento (sensori FBG). Sensori per sonde di esplorazione planetaria con sistemi laser di ausilio alla guida (laser range finder), di analisi spettroscopica in-situ(LIBS, Laser Raman) e remota (lidar).Sistemi laser per trasmissione dati in diversi mezzi e nel vuoto.

Sonda subglacialeCSM-ENEA

(FIS-LAS e FUS-ROB)

Elemento scaldante

Alloggiamento sensori ottici

Ricircolo acqua

Sensori FBGsu alettone

Analisi SASN di acciai al Cr per impiego nucleare


Sviluppo di tecnologie e metodologie diagnostiche per controllo del territorio e delle infrastrutture, sicurezza nazionale e protezione civile /1

Sviluppo di sistemi stand-off per il monitoraggio remoto e semi-remoto di aree critiche a rischio di attacco NBC, quali rivelatori miniaturizzati per il nucleare, sistemi lidar/dial, fluorosensori e LIBS per esplosivi, gas nervini ed agenti batteriologici.Reti di elaborazione ed analisi in tempo reale dei dati raccolti dai sensori sul territorio interfacciabili con modelli di previsione.Metodologie di utilizzo dei dati raccolti sul territorio con i sensori per remote sensing ed in situ in combinazione con immagini aereo o satellitari ad alta risoluzione.

Venezia nov. 1995

Antartide XVI campagnaGen.- feb. 2002


Sviluppo di tecnologie e metodologie diagnostiche per controllo del territorio e delle infrastrutture, sicurezza nazionale e protezione civile /2

Sviluppo ed operazione di sistemi di monitoraggio delle infrastrutture critiche mediante sensori FBG, con possibilità di allestimento di sistemi di controllo che permettano di evidenziare vie di fuga rimaste. Sviluppo di tecnologie e sistemi di controllo su persone e infrastrutture critiche, soprattutto nel settore dei trasporti per evidenziare armi convenzionali ed esplosivi.Messa a punto di strumentazione per lo sminamento umanitario con la ricerca e il riconoscimento di esplosivi e di contenitori sia sul terreno che in acqua.

MODULO FBG3 MODULO FBG1

“ingresso” ed “uscita” del convoglio

Monitoraggio mediante sensori FBG di barriere antirumore su linea TAV Roma-Napoli


Sviluppo di strumentazione per imaging bio-medicale, con sistemi di restituzione 2D e 3D dei dati /1

Sviluppo di radar ottici nel vicino IR per lacaratterizzazione 3D di strutture ossee duranteinterventi di ricostruzione e/o applicazione di protesi, con reverse engineering rapido su materiali bio-compatibili.Sviluppo di tecnologie e metodologie ottiche,quali assorbimento, fluorescenza, riflettanza, scattering, per la caratterizzazione in vivo diprodotti vegetali con proprietà salutistiche e di principi attivi di medicinali di origine vegetale.Sviluppo di tecnologie laser di imaging di fluorescenza e Raman, anche utilizzabili con microsistemi in fibra ottica, per la rivelazione di cellule tumorali basata su risposte spettrali selettive o su selettiva combinazione con marker spettrali.

Modello 3D ricostruito mediante LRF

Mappa di fluorescenza per l’identificazione di tessuti tumorali nella tiroide


20 nm20 nm

ricettori

nanoparticella

anticorpi

Sviluppo di strumentazione per imaging bio-medicale, con sistemi di restituzione 2D e 3D dei dati /2Sviluppo di nanotecnologie per l’inserimento di mezzi di contrasto basati su nanoparticelle bio-compatibili per tecniche di indagine spettroscopica (quali l’NMR) su organi non altrimenti esaminabili.Sviluppo di tecniche di microscopia mediante EUV e raggi X molli, per caratterizzazione ed imaging di campioni biologici, anche in-vivo senza pretrattamento. Studio dell’interazione fra la radiazione al THz e i tessuti per evidenziare effetti di stress sui medesimi e per diagnostiche mediche innovative.

Si

Cellule Alga ChlorellaMicroscopia X “in vivo” a contatto su LiF

Nanoparticelle luminescenti di Si ossidato


Diagnostiche in collaborazione FIS-FUS /1COLLABORAZIONE FIS –FUS

FIS LAS ottica e sensore FUS ING elettronica e coordinamento FUS TEC scansione

SISTEMA LIVVS PER JET

ISPEZIONE REMOTA CON RISOLUZIONE SUBMILLIMETRICA IN AMBIENTI OSTILI

Radiazioni γ

Alto VuotoAlto Campo Magnetico

Alta Temperatura


Diagnostiche in collaborazione FIS-FUS /2COLLABORAZIONE FIS –FUS

FIS LAS ottica e sensore FUS ING elettronica e coordinamento FUS TEC scansione

SISTEMA IVVS PER ITER

Immagine 3D (intensità e distanza) con accuratezza

sub-millimetrica di un componente (50 x 50 cm)

della prima parete di ITER


Diagnostiche in collaborazione FIS-FUS /3

FUS-TEC _ FIS-ACCRivelatore di neutroni diamante-Fluoruro di Litio

•Nuovo rivelatore di neutroni basato su cristalli singoli di diamante cresciuti per CVD ( FUS-TEC).

•Film sottile di LiF arricchito in 6Li (>95%) depositato per evaporazione termica sul catodo di Al (FIS-ACC).

• I neutroni temici danno luogo alla reazione 6Li(n,T)α. Energia cinetica dei prodotti di reazione: 2.734 MeV (Trizio) e 2.05 MeV (α).

• Entrambi i frammenti penetrano nel film di diamante dando luogo ad un doppio picco ben definito.

Applicazioni per il prototipo di rivelatore: •Rivelazione di neutroni termici•Misure di dose equivalente (BNCT)•Controllo durante la produzione di Trizio (ITER)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50 100 150 200

Channels

Cou

nts

Tritium

Alpha

50 µm


Specchi per Diagnostiche Ottiche su ITER

•Prototipi di specchi di rodio su sostrati di rame e di vanadio sono stati realizzati a Frascati e caratterizzati nel lab di ottica della Casaccia

•Tali specchi vanno utilizzati per raccogliere la luce vicini al bordo del plasma di ITER

•In figura la superficie di uno specchio Rh/V misurata da un interferometro.

Diagnostiche in collaborazione FIS-FUS /4FUS-MAG _ FIS-LAS e FIS-OTT


Conclusioni e prospettive per una focalizzazione strategicaAttività di ricerca con forte valenza applicativae realizzazione di dimostratori e prototipi

Interdisciplinarietà delle competenze

Visibilità italiana e internazionale

Capacità di reperire finanziamenti su un mercato esterno diversificato

Capacità di rispondere alla domanda interna e delle consorziate

Potenziale per attività di formazione

FisiciIngegneriChimiciBiologi

Collaborazioni: 38 italiane26 Internazionali

VI FW EC, ESA, ASI, PNRA, MIUR-FIRB, PON-FESR

BIOTEC, FUS, MAT, CLIM

CETMA,TRAIN,PROCOMP,

CENTRO LASER,RFX, CREATE

EURATOM

Necessità di mantenere il personale formato per specifiche attività strategiche

Necessità di personale tecnico altamente qualificato per le infrastrutture di laboratorio

Necessità di investimenti in strumentazione per indirizzo strategico su attività dell’Ente

e spin-off


Hanno collaborato:

Per FISG. Baldacchini, P. Bartolomei, E. Borsella, M. Caponero, R. Coppola, A. Doria, G. C. Ferro, F. Flora, G. Fornetti, G. P. Gallerano, A. Lai, A. Palucci, A. Renieri, R. Tinti

Per FUSF. Romanelli, A. A. Tuccillo, V. Pericoli-Ridolfini, R. De Angelis, D. Pacella, O. Tudisco, V. Zanza, A. Pizzuto, B. Esposito, M. Angelone, M. Pillon, A. Coletti, C. Neri, M. Riva, F. Orsitto

Per BIOTECR. Balducchi, D. Tirindelli

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