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Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
DIAGNOSTICHE FISICHE IN ENEA
Passato, presente e futuro Sviluppi e strategia
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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)
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
La fusione richiede l'uso di diagnostiche complesse per la misura dei parametri di plasma
FTU
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
Esempio di evoluzione profili densità
t [s]r [m]
QuickTimeª and aTIFF (LZW) decompressor
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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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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)
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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.
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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
Roberta Fantoni (FIS-LAS), Rosa Maria Montereali (FIS-ACC)
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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