Si è appena conclusa con successo all’European XFEL di Amburgo, una struttura di ricerca dove si generano flash di raggi X ultra intensi e ultra corti, la messa a punto del rivelatore DSSC (DePFET Sensor with Signal Compression). Si tratta della fotocamera per raggi X di bassa energia più veloce al mondo: obiettivo, rivoluzionare il modo di studiare la materia a livello atomico e molecolare.
Il rivelatore DSSC è stato sviluppato da un consorzio internazionale coordinato dall’European XFEL e guidato da Matteo Porro (European XFEL), ex-dottorando del Politecnico di Milano. Oltre al Politecnico di Milano, gli altri partner del consorzio sono DESY, Università di Heidelberg, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Università di Bergamo.
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La tecnologia del rivelatore DSSC
L’innovativo dispositivo consente di sfruttare la straordinaria potenza delle moderne sorgenti di flash di raggi X rendendo possibile cogliere e interpretare le immagini di oggetti piccolissimi come proteine o virus.
Il nano-oggetto d’indagine viene posto tra la sorgente di scatti luminosi (emessi all’elevatissima frequenza di ripetizione di 4,5 milioni al secondo) e il rivelatore DSSC, che riesce eccezionalmente a captare con precisione ciascuno dei fotoni diffusi nell’impatto.
Un singolo impulso di luce ha una durata di poche decine di femtosecondi ma è sufficiente affinché il rivelatore DSSC possa registrare un’immagine caratteristica del campione in analisi. Tuttavia, per studiare efficacemente oggetti tanto minuscoli, non è sufficiente un’unica fotografia con raggi X ma una serie scattata a intervalli ravvicinatissimi che finora non aveva una pellicola capace di fissare 4,5 milioni di immagini al secondo prodotte da raggi X a bassa energia. È un enorme passo in avanti, se paragonato alla precedente generazione di sorgenti e rivelatori di raggi X, che moltiplicherà esponenzialmente il numero di analisi possibili in tempi incomparabilmente più brevi.
Gli obiettivi
Il rivelatore DSSC installato all’European XFEL consentirà non solo di vedere oggetti piccoli come atomi e nano-strutture biologiche ma anche di filmarne l’evoluzione temporale a seguito di specifici stimoli finalizzati a comprenderne il comportamento. La comunità scientifica avrà quindi un’arma in più per dipanare le complesse strutture di singole proteine o virus, con immediate ricadute sulla comprensione di malattie e sullo sviluppo di nuovi farmaci. Sarà inoltre possibile acquisire immagini tridimensionali della materia su scala nanometrica o filmare l’evoluzione di una reazione chimica di interesse industriale.
La messa in opera di questo rivelatore di immagini unico nel suo genere rappresenta il culmine di oltre un decennio di ricerca e sviluppo collaborativo internazionale. DSSC, progettato specificamente per i raggi X di bassa energia (da 0.5 a 6 keV), amplierà significativamente le capacità scientifiche della stazione di misura per Spettroscopia e Scattering Coerente (SCS) dell’European XFEL. In particolare, questo nuovo rivelatore permetterà lo studio ultraveloce di strutture elettroniche, di spin e atomiche sulla scala temporale di decine di femtosecondi (1 fs = 10-15 s).
Il ruolo del Politecnico di Milano
Il team del Politecnico di Milano, costituito da Andrea Castoldi, Carlo Fiorini e Chiara Guazzoni, ha coordinato lo sviluppo dell’elettronica di lettura a basso rumore e la calibrazione del rivelatore DSSC.
Andrea Castoldi, del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano e associato all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è il responsabile del team del consorzio per la calibrazione del rivelatore: “La sfida di realizzare un rivelatore di immagini con prestazioni ben oltre la frontiera attuale è stata un’esperienza importante e stimolante per tutti noi e per i numerosi studenti di dottorato e post-doc che hanno contribuito con entusiasmo allo sviluppo di DSSC in un contesto internazionale di eccellenza. Aver dimostrato la capacità di registrare a tale velocità’ immagini di raggi X a bassa energia con risoluzione di singolo fotone è un passo significativo che consentirà di sfruttare appieno le nuove tecniche di indagine con impulsi ultra corti. Il successo ottenuto è una testimonianza dell’ottimo livello della ricerca svolta presso il Politecnico di Milano e della sua competitività a livello internazionale”.
