Nel vasto panorama della ricerca scientifica e tecnologica, un ambito cruciale è quello dei rivelatori di radiazioni ionizzanti. Questi dispositivi sono fondamentali per una gamma diversificata di applicazioni, dalla medicina nucleare alla fisica delle particelle, dalla sicurezza radiologica alle scienze dei materiali. Recentemente, ci sono stati degli sviluppi nell'evoluzione di questi strumenti, con l'introduzione di una tipologia di detector a semiconduttore, caratterizzato da aperture micrometriche superficiali: “Detector con finestre ottiche micrometriche”, brevetto dell’INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Questo avanzato rivelatore rappresenta una svolta significativa nel campo, poiché risolve una delle sfide più impegnative: consentire il passaggio della radiazione laser necessaria per la caratterizzazione dello strumento, senza compromettere la trasmissione dei segnali elettrici interni. In altre parole, la sua struttura permette la calibrazione degli strumenti anche in assenza di radiazione.

Nell'articolo che segue, esploreremo più a fondo questa tecnologia, analizzandone i principi di funzionamento, le sue potenziali applicazioni e l'impatto che potrebbe avere nel campo della ricerca scientifica e della tecnologia delle radiazioni ionizzanti. Lo faremo insieme a Nicolò Cartiglia, Ricercatore in Fisica presso l’INFN.

“Detector con finestre ottiche micrometriche” è anche il progetto più visualizzato del mese di febbraio sulla piattaforma KS 2.0 per la sezione “Brevetti”.

Ci racconti di lei, background e ruolo/interessi nel mondo della ricerca?

Io sono un ricercatore all’INFN, istituto che si occupa di promuovere la ricerca in Fisica delle particelle e delle interazioni fondamentali in Italia. Il termine “nucleare” fa pensare ai reattori ma in realtà l’istituto non si occupa di questo aspetto. Noi facciamo Fisica di base e l’Italia su questo ha dei laboratori di riferimento nazionale e collabora in laboratori internazionali. E il laboratorio di riferimento a livello mondiale è il CERN di Ginevra. Quindi tutti i nostri esperimenti, sviluppi tecnologici e tutti gli studi che facciamo sono spesso mirati a costruire rivelatori poi contestualizzati al CERN.

“Detector con finestre ottiche micrometriche”, ad esempio, fa parte dei rivelatori che verranno portati avanti a Ginevra intorno al 2035. L’INFN ha questo scopo: la ricerca fondamentale.

Ci può introdurre brevemente in cosa consiste la tecnologia. Come funziona e come migliora lo “status quo” delle tecnologie attualmente utilizzate nel campo dei rivelatori di radiazioni ionizzanti.

Quello che capita nei nostri esperimenti è che noi creiamo tante particelle e poi le dobbiamo misurare. Pensiamo ad esempio a quelle immagini, solitamente del CERN, dove vengono raffigurati gli scontri di particelle da cui ne nascono altrettante. Tutte quelle traiettorie che vengono mostrate sono misurate perché ci sono dei piani rivelatori che monitorano il passaggio.

Questi sono normalmente rivelatori al silicio, ai quali si applica proprio il brevetto in questione. I rivelatori di silicio sono tali che quando passa una particella, il segnale creato dalla stessa nel rivelatore viene misurato. I rivelatori sono divisi infatti come tante scacchiere e in base a quale quadrato della scacchiera si illumina, noi sappiamo dove è passata la particella. Ogni casella di ciascuna scacchiera ha una dimensione di circa 100 micron.

Per motivi di funzionamento elettrico, la superficie di questi rivelatori è coperta di metallo per uniformare i campi elettrici. Il problema è che quando si ha uno di questi rivelatori in laboratorio e si vuol provare a vedere se funziona non si hanno a disposizione le particelle. Dal cielo ci sono i raggi cosmici ma non permettono un controllo efficiente. Per misurarne il funzionamento, si può iniettare una piccola quantità di luce così da poter vedere il segnale.

Il problema è che, essendo che questi rivelatori coperti di metallo, non c’è modo che venga iniettata la luce perché schermata dal metallo. Quindi per riuscire a provare in laboratorio se questi rivelatori funzionano o meno abbiamo proposto una copertura in metallo con aperture in cui la luce può passare.

Quindi l’idea è quella di ridisegnare lo strato di metallo in superficie in modo tale da avere le microfinestre per iniettare un impulso di luce laser e vedere il segnale direttamente in laboratorio. E’ un metodo per poter esercitare il rivelatore senza le particelle.

A livello di status quo, questo brevetto migliora tanti aspetti. Noi disegniamo tanti tipi di rivelatori diversi per capire quale funziona ed abbiamo necessità di poterli provare. È vero che E’ possibile provare i rivelatori a Ginevra o ad Amburgo usando dei fasci di test, però è dispendioso a livello di costo ed organizzazione. Provare in laboratorio quale sia il prototipo migliore è sicuramente più facile, ed aiuta a strutturare il processo di ricerca e sviluppo.

Quindi questo brevetto migliora lo status quo perché permette all’utilizzatore di poter provare localmente ciò che ha fatto senza doversi necessariamente spostare in questa fase.

Questa tecnologia permette dunque un abbattimento di tempo e costi. Per questo motivo, tutti i rivelatori che facciamo all’interno dei nostri studi sono dotati di queste finestre ottiche. Abbiamo un laser il cui raggio di luce emula il passaggio di una particella. Ed è molto funzionale perché è uno strumento piccolo e con potenza molto bassa. Quindi, è possibile tenerlo sul tavolo da lavoro ed usarlo all’occorrenza. Infatti, quando arrivano i nostri rivelatori li posizioniamo sotto il laser e vediamo immediatamente la risposta.

Questo brevetto permette di velocizzare il passaggio tra prototipi e disegno finale. Aiuta a ridurre i tempi di sviluppo.

Il progetto del detector con finestre ottiche micrometriche: dall’idea alle potenzialità di mercato.

Tutti i sensori e i prototipi che vengono fatti dai nostri gruppi sono dotati di queste finestre ottiche. Il problema è che queste sono tutte produzioni di ricerca, per cui la questione brevettuale non si applica. La questione è differente, ad esempio, se e quando si costruiranno 100 mq di rivelatori e si faranno ordini di decine di milioni di euro. In questo caso bisognerà vedere se le ditte che vincono le gare accetteranno di mettere queste finestre ottiche o meno.

A livello di ricerca invece lo usano tutti.

Alle volte, come ci siamo detti all’inizio della nostra intervista, i brevetti sono scritti in un linguaggio un po’ complesso rispetto poi all’effettivo funzionamento della tecnologia. Knowledge Share cerca di rendere le schede brevetti di più facile interpretazione ma la vostra tecnologia, per i non addetti ai lavori, potrebbe risultare forse un po’ complessa da comprendere a pieno.

Così ho fatto un gioco e ho chiesto a Copilot di spiegarmi in modo semplificato che cosa fossero i rivelatori di radiazioni ionizzanti. Tra i campi di applicazione mi ha fornito come risultati:

- Medicina: Per la diagnostica (come i raggi X) e la terapia (come la radioterapia).

- Industria: Per il controllo di qualità, la misurazione delle radiazioni ambientali e la sicurezza.

- Ricerca scientifica: Per studiare le proprietà delle particelle subatomiche e le radiazioni cosmiche.

Rispetto a quello che vedo indicato sulla vostra scheda brevetto – test di riqualificazione di rivelatori di particelle cariche – come si collocano, se veritieri, i punti sopra?

Diciamo, Copilot ha fatto un buon lavoro perché i rivelatori servono a rivelare le particelle e hanno tantissimi usi. Pensiamo ad esempio ai sensori di posizione. I sensori di particelle li troviamo dappertutto. È difficile però capire se le grandi industrie che fanno i sensori useranno o meno i nostri rivelatori.

Se hai necessità di rivelare le particelle è certo che devi usare per forza queste finestre ottiche, altrimenti non riesci a provare che cosa effettivamente hai fatto. Rischi di montare sul tuo rivelatore qualcosa che non funziona. Quindi quando tu devi rivelare delle particelle è fondamentale.

Molti dei rivelatori che si utilizzano al CNAO, ad esempio, per adroterapia, arrivano dai nostri studi. Per i raggi X è differente perché reagiscono in modo diverso.

Avanzamento del progetto: stato attuale dell’arte e piani per il futuro. Cosa sta cercando?

Noi siamo sempre molto presenti nei bandi di ricerca. Facciamo molte domande in Europa, come ad esempio i programmi Horizon ed ERC. Poi in Italia partecipiamo molti PRIN e tutta la ricerca di base finanziata dall’INFN.

Io mi occupo di ricerca quindi non ho cercato contatti di industrializzazione. Poi c’è chi, ad esempio, fa fisica medica, anche qui in Istituto a Torino, che è stato molto più attivo nel cercare un contatto in azienda. Quindi diciamo io non ho contatti diretti con l’industria ma ci sono altri gruppi che lo fanno.

Spinoff o no-spinoff? Se no perché? Se sì con chi? (investitori / partner industriali?) di quanto avrebbe bisogno in termini economici?

Questo secondo me non è un progetto che genera spinoff. Questo è una tecnologia che le ditte chiedono se sono interessate a offrire ai loro clienti una possibilità in più di testare. Ma non c’è niente da sviluppare. La tecnologia con cui farlo l’abbiamo dimostrata e c’è. A questo punto sono i venditori di rivelatori che propongono, o i clienti che chiedono, a fare la differenza.

Diciamo che io posso costituire Spin-Off con questo brevetto ma non posso competere con una ditta giapponese che fa fatturati da centinaia di milioni di euro all’anno di rivelatori. Credo che sia più un prodotto che va direttamente al cliente se interessato ad usarlo.

PNRR e elettronica: investimenti in Italia. Un tuo pensiero

Il PNRR ha alcune linee di ricerca su cui l’INFN è attivo ma non in rivelatori di particelle. L’INFN è però attivo in altri contesti come per il calcolo, democratizzazione di internet e altro. Ma in questo campo non partecipiamo attivamente.

Come dicevo poco fa, noi partecipiamo a diversi bandi e, quando siamo “saturi” di risorse ci fermiamo perché dobbiamo e vogliamo effettivamente spendere le risorse in modo efficiente, bisogna capire come utilizzarle al meglio.

Avete ricevuto dei contatti grazie alla piattaforma KS?

Non so se contatterebbero me. Probabilmente la piattaforma Knowledge Share è più in contatto diretto con chi lavora nell’Ufficio di Trasferimento Tecnologico. Sicuramente è uno strumento di mediazione e contatto tra uffici di diversa competenza e nello stesso ente: come appunto ricercatori e TTO.

Certamente sarebbe interessante parallelizzare l’ingaggio tra i diversi uffici di competenza ma è anche sinergico vedere come si instaura un flusso di informazioni e coinvolgimento tra gli stessi. Magari proprio grazie alla piattaforma.

Per scoprire di più su “Detector con finestre ottiche micrometriche” - INFN: https://www.knowledge-share.eu/it/brevetti/detector-con-finestre-ottiche-micrometriche