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Allo European XFEL, un’infrastruttura di ricerca nei pressi di Amburgo, è stata collaudata con successo la fotocamera a raggi X più veloce al mondo, alla cui realizzazione ha collaborato il gruppo di Microelettronica dell’Università degli studi di Bergamo.

L’installazione, la messa in servizio e il funzionamento di questo rivelatore unico segnano il culmine di oltre un decennio di ricerca e sviluppo svolto da una collaborazione internazionale. Il cosiddetto rivelatore DSSC, progettato in modo specifico per operare con raggi X in regime di bassa energia ed elevata lunghezza d’onda, espanderà in modo significativo le capacità scientifiche degli strumenti a raggi X. Permetterà infatti lo studio ultraveloce di strutture atomiche su scala nanometrica grazie all’impiego degli impulsi di raggi X ad alta intensità generati dallo European XFEL. Sarà così possibile studiare le strutture e i processi all’interno di materiali tecnologicamente avanzati, di cellule viventi, di virus, conrisultati rivoluzionari per la chimica, la biologia e la medicina. Alla fine di maggio, i primi esperimenti scientifici con il rivelatore DSSC sono stati condotti con successo nella stazione sperimentale SCS (Spectroscopy and Coherent Scattering) dell’infrastruttura di Amburgo.

Durante questo esperimento, gli impulsi a raggi X colpiscono il campione in esame e vengono diffratti dai suoi atomi, risultando in un modello distintivo che viene registrato e memorizzato dal rivelatore. Lo European XFEL genera impulsi di raggi X raggruppati in pacchetti, ognuno contenente fino a 2700 impulsi generati in rapida successione con una distanza temporale di 220 nanosecondi. Di conseguenza, il rivelatore DSSC può acquisire immagini ad una velocità impressionante di 4,5 milioni di immagini al secondo e può memorizzare 800 immagini di questo tipo per ogni pacchetto di impulsi. Queste caratteristiche rendono il DSSC il rivelatore di raggi X più veloce al mondo.

Il dott. Matteo Porro, responsabile del progetto e del consorzio DSSC, ha dichiarato: “Questo è un risultato fantastico in termini di sviluppo di rivelatori che apre nuove possibilità per la comunità scientifica che si occupa di photon science. Abbiamo dimostrato che è possibile contare singoli fotoni nel regime dei raggi X morbidi alla elevatissima frequenza di ripetizione degli impulsi forniti dall’European XFEL. Vorrei ringraziare i membri del consorzio DSSC, che con il loro impegno e creatività hanno reso possibile tutto questo. È stato un privilegio lavorare con persone che hanno fornito un livello così straordinario di conoscenza nel campo dei rivelatori e della progettazione elettronica.“

Il rivelatore DSSC è stato sviluppato da un consorzio internazionale coordinato dall’European XFEL. Altri partner includono il Laboratorio DESY di Amburgo, l’Università di Heidelberg, il Politecnico di Milano, l’Università degli studi di Bergamo e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). È il quarto rivelatore veloce a raggi X da installare presso l’XFEL europeo e il secondo rivelatore disponibile per gli esperimenti sullo strumento SCS. Il rivelatore è una camera composta da 1024 x 1024 pixel esagonali per un’area attiva totale di 210 x 210 mm2. I pixel attualmente impiegati sono sensori al silicio noti come “Mini Drift Detectors” prodotti dal Laboratorio di Semiconduttori della Max Planck Society di Monaco. La PNSensor GmbH, anch’essa  con sede a Monaco, si è recentemente unita al consorzio DSSC per sviluppare un altro tipo di sensore, DePFET, per una seconda fotocamera DSSC migliorata. Ciò consentirà di registrare un livello di dettaglio ancora maggiore rispetto a quello attualmente possibile.

“Dopo anni di progettazione e sviluppo, è stato bello vedere i singoli componenti del rivelatore assemblati insieme all’European XFEL nel corso dell’ultimo anno. Questo è stato un momento estremamente emozionante e intenso” afferma il responsabile del Gruppo Rivelatori dell’European XFEL, Markus Kuster. “Dopo aver visto i risultati del primo esperimento scientifico con il DSSC, sono orgoglioso dell’intero team di progetto e sono lieto che i nostri sforzi stiano ora dando i loro frutti. Questo è un inizio fantastico per lo sviluppo futuro della tecnologia di rivelatori DSSC“.

Per dieci anni, l’Università degli studi di Bergamo, con il Laboratorio di Microelettronica, ha partecipato al progetto ed alla realizzazione della DSSC camera. “E’ stata un’esperienza entusiasmante che ci ha proiettati in un contesto internazionale di ricerca di altissimo livello” sottolinea il Prof. Massimo Manghisoni, responsabile dell’Unità di Bergamo per il consorzio DSSC. “Nello stadio finale di costruzione del rivelatore, il nostro gruppo ha avuto la responsabilità della fase critica dei test per la validazione dei singoli moduli, composti da rivelatore a pixel ed elettronica di lettura, da destinare all’assemblaggio finale della camera. Gli ottimi risultati ottenuti con i primi esperimenti sono per noi una grande soddisfazione e rappresentano al contempo una conferma dell’ottimo lavoro svolto dal nostro gruppo e una testimonianza dell’elevato livello della ricerca svolta all’interno del nostro Ateneo”.