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Fluorescence Analysis by Spectroscopy Transmission and Electron STreak CAMera

FASTEST-CAM

Fluorescence Analysis by Spectroscopy Transmission and Electron STreak CAMera

FASTEST-CAM

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1. Andrea LA MONACA1

2. Giorgio CAPPUCCIO1,2

3. Roberto DE MASI34. Andrea Maria DI LELLIS4

5. Paolo DI MURO5

6. Roberto FAVILLA6

7. Fabrizio FIORI78. Pasqualino GAUDIO8

9. Michele MAFFIA3

10. Paolo MARIANI911. Alberto MAZZINI10

12. Ivan MICETICH5

13. Domenico NANNI11

14. Maria RICHETTA8

15. Benedetto SALVATO5

16. Raffaele SINIBALDI1,9

17. Francesco SPINOZZI9

1LNF-INFN, Frascati2Istit. Str. Mat. Nanometrici-CNR, Roma3Scienze e Tecn. Biol. ed Amb., Università Lecce4AMDL-P.M.I. Elettronica e Sensoristica Spaziale, Roma5Biologia, Università Padova6Bioch. e Biol. Mol., Università Parma7Scienze Fisiche, Scienze Appl. Sist. Compl., UPM, Ancona8Ingegneria, Università Tor Vergata, Roma9Scienze Biol., Scienze Appl. Sist. Compl., UPM, Ancona

10Fisica. Università di Parma11OAR-INAF, Roma

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• Scopo di questo esperimento è di sviluppare ed allestire a Frascati un'innovativa strumentazione di rivelazione, basata su 'streak camera', ad un costo ragionevole e con una architettura aperta a future applicazioni (e. g. Adronterapia).

• Lo strumento sarà applicato:1) per effettuare misure di fluorescenza di sistemi complessi ad altissima risoluzione temporale e spaziale, usando un fascio monocromatico UV di 280 nm di lunghezza d'onda di luce di sincrotrone di DAΦNE;2) per diagnosticare le fluttuazioni emissive spazio-temporali degli impulsi di luce di macchina e delle nuove sorgenti di luce ultrafast FEL (Sparc, SparX/ino), in sviluppo nei LNF (inter. b.s e ec.).

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Experimental Fluorescence Set-up

UV SourceSynchrotron Radiation

SampleHc Protein,

CO ligand toCu++ sites

Monochromatorλ= 280 nm

Streak-Camera

Holographic grating

Readout system

PC

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Le α-eliche sono mostratein bluLe β-sheets in verdeI due ioni attivi di Cu in rosso

Unità funzionale della Hc, mostrante la localizzazionedei residui triptofilici e dei due ioni Cu

Hc proteine respiratorie a Cu, presenti nella emolinfa di alcune specie di invertebrati.

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• La peculiarità di Hc consiste in un sito attivo binucleare, in cui ciascuno ione Cu+ è legato da tre imidazoli istidinici, capace di legare reversibilmente ossigeno molecolare.

• Questo si lega in ragione di una molecola per sito, con una geometria planare a ponte μ-perossido tra i due ioni Cu che passano nello stato di ossidazione Cu2+.

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Deoxy-HcI 2 ioni Cu(I) (pallini rossi al centro) sono

circondati da 3 residui istidinici.

•Distanza: Cu-Cu: 3.7± 0.3 Å•Distanza: Cu-N: ~2.0 Å•Geometria planare attorno l’ione Cu(cavità vuota tra i 2 Cu disponibile per il ligando O2)

Oxy-HcO2 (2 pallini rossi al centro) lega e forma un ponte tra i due atomi Cu(I), che li ossida a Cu(II) (pallini rossi laterali), e si riduce a O22-

• La distanza Cu-Cu è ridotta• Geometria planare attorno a Cu compromessa dalla distorsione delle istidine.

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Il sito attivo di queste proteine è capace di una relativamente estesa chimica di sostituzione di leganti, redox e perfino di sostituzione isomorfa del metallo.

Oxyhemocyanin: UV-VIS Spectra

Intensa transizione ottica a 345 nm caratteristicadell’oxyHc con una banda a trasferimento di caricaligando-Cu

La chimica di sostituzione di leganti presenta effetti che interessano le proprietà di fluorescenza di queste proteine essenzialmente dominata dall’emissione di fluorescenza del triptofano.

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• Queste fluorescenze rispondono in varia maniera in dipendenza 1) della natura del ligando e 2) della natura e dello stato redox dei due centri metallici.

• In questo contesto, il monossido di carboniorappresenta un caso particolare in quanto il suo legame nel sito attivo delle Hc comporta “quencing” dell’emissione a 340 nm edemissione relativamente intensa a 540 nm.

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Fluorescence quenching

1. Se c’è trasferimento di energia la costante di tempo τ diventa piùpiccola di τo. Questo meccanismo dipende dalla concentrazione degli ioni, dell’ossigeno, dal pH e dai legami della proteina. C’è un diretta relazione tra il tempo di vita ed la concentrazione del quencher.

2. Tempi di vita corti come 20 ps sono stati trovati.

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• Il gruppo di Padova ha studiato la reazione di legame del CO con Hc.

• Si può ipotizzare che l’emissione dipenda da un gruppo molecolare in cui il CO si lega a pontedalla parte del carbonio allo ione Cu piùesterno mentre l’ossigeno all’HN dell’anello indolico di un triptofano.

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• Le misure su campioni innovativi di HC, creati da gruppo di Padova (complesso HcCO inglobato in vetro di disaccaridi) acquistano un ruolo nuovo per i materiali biologici, perché ne permettono lo studio con sorgenti intense di luce di sincrotrone senza che i campioni subiscano deterioramenti.

• Solo con queste sorgenti intense si possono misurare:1) i tempi di vita corti con alta risoluzione temporale e2) la relativa intensità di emissione/spengnimento con

la concentrazione di CO.

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Trasmission Diffration Grating

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FASTEST- CAM• La FASTEST-CAM usa una Streak Camera che è un

dispositivo che misura fenomeni luminosi ultra velocimostrando la distribuzione temporale o di posizionedell’intensità.

• Può misurare infatti variazioni temporali dell’intensitàdella luce incidente rispetto alla lunghezza d’onda(time resolved spectroscopy) o variazioni temporalidell’intensità della luce incidente rispetto allaposizione (time and space-resolved measurement).

• Nessuno altro strumento rivela direttamente fenomeniluminosi così veloci con una migliore risoluzionetemporale.

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Principio di funzionamento di Streak-Camera• La luce del campione attraverso il grating holografico passa da una fenditura

d’ingresso e va su un fotocadoto posto sul piano focale dell’ottica d’ingresso.

• Qui, gli impulsi luminosi, di intensità, seguenza di tempo e distribuzione spazialediversa, si convertono in elettroni proporzionali in numero alla relativa intensitàluminosa.

• I pacchetti di elettroni creati passano in seguenza attraverso le placcheacceleratrici di un condensatore, dove agisce una rampa di tensionesincronizzata temporalmente con la luce incidente di sincrotrone(bunches).

Da: Hamamatsu

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• La rampa, che inizia per esempio dal livello alto, devia glielettroni dall’alto in basso. E poichè durante la discesa dellarampa i pacchetti di elettroni, distribuiti spazialmente, arrivano nelle placche in tempi diversi, verrano deflessi in angoli diversi lungo la verticale all’imbocco dei canali dellaMCP.

Da: Hamamatsu

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FASTEST-CAM: Principio operazionale

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Deflessione degli elettroni

1)

2)

3)

vy =eEm

t1 =eEm

( x1

v)

t1 =x1

v

t 2 =x 2

v

Esempio:x1= 60mmx1= 300mmDist. placche = 3mmE=2000y2=13.2 mm

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FASTEST-CAM electronic block diagramFASTEST-CAM electronic block diagram

AFE ADCs I/F

ASIC128Chs

FPGA

DFE

DAΦNE LIGHT

Trigger frombunch

Front-endreceiver

Delay-line

Sweepgenerator

Sweep elettrodes

HV power supply

H/K-HV Control

MCPChevron St

Optoelectronicsystem

DSP BlockDPU 3CUBE

(400 MIPS)

EGSE User I/F

Synch.

Synch.

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Legenda1. PLLx8=phase locked loop (moltiplica

la frequenza di base pe 4)2. BLANKING SWITCH=interruttore di

dispersione del fascio

3. FPA= focal plane assembly4. ACQ Logic= logoca di acquisizione

AFE

FPA

STRIP-LINERF AMP

BLANKINGSWITCH

ACQLOGIC

CONTROL DATASYSTEM

VALIDARM

SYNCCONTROL

PLLx8DELAYCONTROL

TRIGBUFF

MACHINETRIGGER

Sistema di sincronizzazione

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Miniaturized High Voltage power supply for local powering

Micro-moduli di alimentazione di alta tensione (HV) di volume 1 cm3

PHYSICAL CHARACTERISTICS (up to 5kV)

SIZE: 12.7 x 12.7 x 12.7 mm3

WEIGHT: 4.25 GramsPACKAGING: Fully EncapsulatedCASE MATERIAL: Glass-filled Epoxy

High stability: 50 ppm/°C.Range: 0÷5000V.Regulation: < 0.30% from no load to full load.Output current 250 µA.Operative condition: -55°C to 70°C.Analog programming voltage: 0V to 5V

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

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Hamamatsu Rectangular Chevron MCP

Chevron configuration: Ham model F15521. Thickness D 0.41 μm2. Channel diameter 10 μm3. Channel pitch 12 μm4. Bias angle 8.12 degrees 5. Rise time 360ps6. Gain 106

7. Effective diameters 27 mm

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Il sistema a multi-anodoIl sistema a multi-anodo va progettato a parte perchè deve mappare direttamente il campionamento temporale.

• Un esempio di sistema a multi-anodo, in cui un’area di 50x50 mm2 è stata suddivisa in 400 pads.• Nel nostro caso un area quasi uguale 81x31 mm2 può essere suddivisa in 1280 pads, per cui ogni pad avrà una grandezza inferiore a 2 mm2.•Per mantenere la massima risoluzione temporale useremo un MCP Hamatsu o BURLE con un ‘C-to-C pich’ da 6-12 microns. In questo caso il ‘jitter’ del tempo di transito degli elettroni nel MCP non influenza la risoluzione temporale (magnificazione geometrica 10-100) .

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Wedge and strip readout

1. La posizione del centroide X,Y è determinato dal rapporto del segnale di carica dei tre anodi QsQw Qz su cui la carica del MCP per induzione si è diviso. Con anodi di periodo 0.5 mm, risoluzioni di 20 μm sono state ottenute anche ad un rate di 5 MHz.

2. Queste parti sono di dotazione e saranno usate inizialmente per le prove di allineamento del MCP.

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The chip consists of 128 identical parallel charge sensitive amplifiers. The output of all amplifier enters corresponding inputs of 128 channel multiplexer. The switches in the multiplexes are controlled by a bit-register which runs in parallel. One amplifier (channel) at a time can be seen on the output of the chip.

A S I C

128 channel ASIC low-noise/low power charge sensitive preamplifier-shaper circuit•Process: 0.8 μm N-well CMOS•Size: 6.12 mmx4.04mm, thickness: ~600 μm•Radiation hardness: 1 Mrad•Max read-out 10 MHz

PICTURE

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Il Digital Processing Unit (DPU) del Front-End

Mini-DPU mod. 3CB_PLN_E001, a basso consumo < 100 mW e peso 16.9 gr

Caratteristiche del 3Cube MINI-DPU block

Il sistema di lettura è basato su una unità digitale di processamento (3Cube DSP di A. Di Lellis), sviluppato per applicazioni spaziali, che è particolarmente adatto per le sue alte prestazioni al processamento locale di front-end.

READ-OUT

(*).• 400 MIPS/200 mhz (50 µW/MIPS)• 4 Meg x 16 DRAM• 1 Meg x 16 Flash Memory• 192 Kilobyte access memory<5nsec• 32 Kilobyte SPI Flash Memory • 3 x 100Mbit/s bidirectional serial buses• Up to 4x10 bit ADC channels

(*)Raccomandato da: EXOMARS/PASTEUR (ESA 2004). 2) ITT ESA QinetiQ/ ESA DALOMIS ITT (ESA-2004). 3) SERENA exp. (ESA BepiColombo Mission, 2004). 4) Inter. Space Station –Alteino , 2005

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• Left panel: 300k gates FPGA based sequencer sampling 2 x 3 analog channels @ 14 bit resolution/15MHz sampling rate each, deeply buffered by 264 kbytes FIFO stack (bottom left corner) .

• Right panel: 75kgates FPGA based sequencer sampling 2 x 3 analog channels @ 8 bit resolution/30MHz sampling rate each with direct I/F to DPU( stacked bottom left corner).

A. Di Lellis (CNR) ha sviluppato controllori basati su FPGA, che possono pilotare sistemi fino a 6 ingressi di rivelatori multianodici, ognuno dei quali è equipaggiato con ‘Correlated Double Sampling I/F, gain and offset compensation’. Questi controllori, interfacciabil ad un host PC da USB 2.0 (480 Mb/sec), opportunamente adattati, possono essere integrati alle risorse di calcolo locale della 3Cube DPU.

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RIEPILOGO delle Caratteristiche della FASTEST-CAM

1. Esegue misure simultanee di decadimenti temporali (asse dei tempi) e di lunghezza d’onda (asse dello spazio) delle intensitàluminose.

2. Ogni misura è abilitata dal trigger temporale dei bunches della sorgente di sincrotrone (DAΦNE).

3. Ha un range di misura 500ps-3nsec.4. È prevista una risoluzione temporale 5 ps per il più veloce

‘sweep range’.5. Non ha fosfori per la rivelazione degli elettroni.6. Esegue misure di ‘single electron count’ con maggior

accuratezza dei sistemi a riconversione finale in luce (CCDs)7. Usa tecnologia altamente integrata per l’elettronica di front-end

(alimentatori HV, ASIC, ADC), e di alta potenza di calcolo per il processamento dei segnali e la presentazione dei dati (DFE, FPGA, DPU.

8. Può eseguire misure con opportuni fotocatodi in tutto il range spettrale infrarosso-raggi X della Luce di Sincrotrone.

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Left: ESRF five turns of single bunches showing vertical Head-Tail instability.

Right: LEP top & side views of bunch over 9 turns showing vertical Head=Tail effects, transverse motions and bunch length fluctuations

Da: K. Scheidt, Review of Streak Cameras for Acceletors: features, applications and

results.. Proceedingcs of EPAC 2000, Vienna, Austria

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Il piano di sviluppo di FASTEST-CAM si svolge in due anni per I quali si chiede un supporto finanziario al GV-INFN di 84 kEuro, di cui 50 kE al primo anno come da dettagli successivi.

Dai LNF si avrà un supporto finalizzato alla strumentazione del sistemada vuoto e della meccanica di supporto, oltre che:

1. un impegno di 1 mese-uomo per anno del Servizio di ProgettazioneMeccanica dei LNF per disegni relativi al FASTEST-CAM progetto.

2. un impegno di 1 mese-uomo per anno del Servizio di Elettronica dei LNF si richiede per montaggi, cablaggi e supporto ai test di laboratorio.

3. è previsto un tempo macchina DAFNE (Luce di Sincrotrone et al.) di 1 mese per anno per 2006 e 2007 per i test di calibrazione con la radiofrequenza e misure di imaging temporali dei bunches di macchina.

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I milestones proposti per il 2007 sono:

1) a fine giugno 2007, test di completamento dell’elettronica digitale integrata con FPGA e DSP per l’istogrammazione dei dati

2) a fine dicembre 2007, misure di fluorescenza delal FASTEST-CAM sulla linea UV di Dafne e test sulle fluttuazioni dimensionali dei bunches di macchina.

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Per il secondo anno si chiede:

Tabella VII: Richiesta finanziaria per il secondo anno

Work-Packages

Description Inv. Con.

4.5

2.0

WP_3 Real Time System software (frame graber) and Remote Control Ground Support Equipment

5.5 5.5

3.0

6.022.0

12.0

12.0

K€

WP_1 Realizzazione del sistema multianodico ed integrazione ASIC

4.5

WP_2 TDC, CPU customizzato a 3Cube ed interfacciamento alla DFE ed alla Workstation Host, PC

12.0

WP_5 Materiale di magazzino 3.0

WP_6 Missioni 6.0Totale 32.0