Il sincrotrone Diamond. Crediti: Harwell Campus
Una nuova tecnica per la misurazione di specchi per raggi X è stata messa a punto dal gruppo Optics and Metrology del Diamond Light Source –il sincrotrone nazionale del Regno Unito situato nell’Harwell Science and Innovation Campus, nell’Oxfordshire – in collaborazione con l’università di Oxford. La caratterizzazione degli specchi per raggi X è particolarmente complessa, richiedendo limiti rigorosi agli errori di fabbricazione ammissibili nelle superfici riflettenti. La radiazione X è infatti caratterizzata da lunghezze d’onda molto piccole (tra 10 e 0,01 nanometri, o miliardesimi di metro) e altissime energie, per cui gli specchi non funzionano come quelli a cui siamo abituati, fatti per riflettere la luce visibile. Affinché la radiazione X non venga assorbita ma riflessa dalla superficie ottica, è necessario che l’incidenza sullo specchio sia radente (con un angolo inferiore a un grado).
Grazie alla nuova tecnica di metrologia di nanoprecisione basata sulla speckle imaging è possibile raggiungere una precisione senza precedenti nella caratterizzazione di specchi per raggi X di alta qualità fortemente curvi. Lo studio che la illustra è stato pubblicato sulla rivista Nature Light: Science & Applications alla fine di settembre. Per saperne di più abbiamo intervistato uno degli autori dell’articolo, Simone Moriconi, attualmente dottorando di ricerca all’università di Oxford.
Nato a Viareggio, Moriconi fin da piccolo è appassionato di ingegneria e macchine da corsa. Dopo la laurea in ingegneria elettrica ed elettronica alla Oxford Brookes University è diventato membro dell’Institution of Engineering and Technology (Iet), in Inghilterra, e sta completando il suo progetto di dottorato di ricerca tra l’università di Oxford e il Diamond Light Source dopo aver vinto una borsa di studio nel 2018. Nel 2020 è stato campione italiano del trofeo Challenge Ford MPM e si sta preparando per la partecipazione al campionato europeo Renault Clio Cup nel 2022.
Quali sono i principali risultati del vostro studio?
«Con questo lavoro dimostriamo che la precisione delle misurazioni dell’errore di fabbricazione di specchi per raggi X può arrivare fino a 20 nanoradianti (root mean square) [il limite ottenuto con le tecniche precedenti era 50 nanoradianti, ndr] utilizzando un algoritmo di tracciamento avanzato e superando i limiti di altre tecniche di metrologia. Questa tecnica consente la misura di specchi con raggi di curvatura fino a poche centinaia di millimetri in due dimensioni. Il metodo di nanometrologia proposto apre nuove possibilità per lo sviluppo di specchi ottici per raggi X di nuova generazione, utile anche per lo sviluppo di nanosonde per raggi X».
Simone Moriconi (a destra) in laboratorio. Crediti: S. Moriconi
In cosa consiste questo nuovo metodo?
«Abbiamo usato una tecnica ben nota chiamata speckle. Facendo brillare un laser attraverso un materiale trasparente a trama casuale, i raggi laser si disperdono appunto in modo casuale. Per capire in che modo oggetti come gli specchi influenzano la dispersione di questi raggi abbiamo usato specifici algoritmi. Sebbene questa sia una tecnica ben sviluppata nella metrologia di specchi per raggi X nei sincrotroni, non è pratica per la metrologia di routine».
Leggo che vi siete avvalsi di un sincrotrone: che cos’è, e a cosa vi è servito?
«Un sincrotrone è un acceleratore di particelle che utilizza campi elettrici e magnetici sincronizzati per accelerare gli elettroni lungo un percorso circolare. Un sincrotrone può essere immaginato come un microscopio gigante: ha bisogno di specchi e lenti per dirigere e focalizzare la luce: migliore è il controllo che abbiamo sulla fonte di luce, migliore sarà la versatilità di questo strumento. I sincrotroni forniscono raggi X ad alta brillantezza per la ricerca scientifica e industriale all’avanguardia che esplora il mondo attraverso una raffinata comprensione della struttura della materia».
Il volto di una ricercatrice (l’astrofisica Patrizia Caraveo) riflesso dalle pareti cilindriche dello specchio di un telescopio per raggi X. Crediti: Gerald Bruneau/Inaf
Quali sono i risvolti tecnologici di questa nuova tecnica?
«Tutta la comunità che si occupa di metrologia ha compiuto progressi significativi con un miglioramento delle tecniche esistenti per testare gli specchi per raggi X. Con lo strumento creato dal nostro team stiamo ampliando le tecniche e gli strumenti disponibili in tutto il mondo. Se sei un produttore di specchi per raggi X, è probabile che tu non abbia affatto accesso a una linea di luce come quella offerta dal sincrotrone e quindi sia vincolato nella produzione di specchi di altissima qualità. Di conseguenza, se ci sono problemi durante la realizzazione degli specchi per raggi X, essi potranno essere scoperti solo quando essi saranno installati, ovvero troppo tardi».
Quali sono le applicazioni più interessanti di questo lavoro?
«Questa nuova tecnica di misurazione angolare speckle può espandere le capacità degli attuali strumenti di metrologia a nuove ottiche per raggi X che ora non possono essere realizzate perché non possono essere misurate. Per la prossima generazione di specchi per raggi X sarà necessario stare al passo con la richiesta sempre crescente di maggiore coerenza e migliore messa a fuoco. Questo nuovo approccio aiuta a caratterizzare e migliorare la qualità dei produttori e degli utenti di specchi per raggi X, ampiamente utilizzati in grandi strutture fisiche nazionali come i sincrotroni, i laser a elettroni liberi a raggi X e telescopi per raggi X astronomici. La nostra tecnica non si limita agli specchi per raggi X di sincrotrone ma può anche essere applicata all’ottica a forma libera e agli specchi di alta qualità in altri campi, come la litografia ultravioletta estrema e l’accensione laser».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Light: Science & Applications l’articolo “Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement” di H.Wang, S. Moriconi, K. Sawhney