Fabrication and characterization of silicon bent crystals for channeling experiments

I cristalli rappresentano uno strumento unico per la manipolazione di particelle cariche ad alta energia mediante interazioni coerenti quali il channeling, grazie al forte campo elettrico generato tra i piani e gli assi atomici. Le applicazioni più interessanti riguardano la collimazione, l’estrazione, la rivelazione e l’assorbimento di fasci di particelle, oltre alla generazione di radiazione x e gamma monocromatica. L’effettiva realizzazione di queste applicazioni è rimasta in sospeso per molti anni a causa della mancanza di bersagli cristallini adatti. Il lavoro presentato in questa tesi è stato dedicato alla fabbricazione di vari cristalli per alcuni recenti esperimenti. Tecniche di fotolitografia, etching in soluzioni alcaline, e taglio meccanico sono state utilizzate per produrre cristalli a strip piegati utilizzando la curvatura anticlastica, e cristalli a lamina piegati utilizzando l’effetto quasi-mosaico. Queste tecniche sono state ulteriormente migliorate introducendo la finitura magnetoreologica, la quale ha permesso di realizzare cristalli con superficie ultrapiatta e aventi disallineamento tra superficie e piani cristallini al di sotto di 5 μrad, come richiesto per la collimazione. Supporti pieganti in titanio, compatibili con l’ultra-alto vuoto della linea di fascio di LHC, e nuovi sistemi di fissaggio sono stati progettati. L’utilizzo di wafer di silicio su isolante ha permesso di fabbricare cristalli di uno spessore ridotto fino a 15 μm, permettendo di effettuare esperimenti sulla deflessione di elettroni di energia attorno al GeV con cristalli curvi. Inoltre, state inoltre realizzate e caratterizzate membrane piatte di silicio, sia cristallino che amorfo, finalizzate a studi fondamentali di diffusione. I metodi per la caratterizzazione sono stati notevolmente migliorati. In particolare, il diffrattometro di raggi x ad alta risoluzione già in uso è stato migliorato nelle prestazioni introducendo un autocollimatore appositamente progettato, e utilizzato per misurare direttamente la curvatura principale, il disallineamento tra superfice e piani cristallini, la curvatura anticlastica e la torsione. Questi sviluppi nella fabbricazione, piegatura e caratterizzazione dei cristalli hanno portato alla produzione di un numero consistente di bersagli cristallini utilizzati con successo in vari esperimenti svolti presso i più importanti acceleratori mondiali. Tra questi, i cristalli quasi-mosaico sono stati utilizzati per osservare per la prima volta una efficiente deflessione di elettroni di energia inferiore al GeV presso i laboratori di MAMI e SLAC, e per studiare quantitativamente la radiazione emessa da questi elettroni. Un cristallo a strip multipla è stato installato nell’acceleratore SPS al CERN per futuri test di collimazione. Un dei cristalli a strip realizzati è stato installato in LHC e testato con successo con protoni all’energia record di 6.5 TeV.