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Laboratorio criogenico per Astrofisica X

Nel laboratorio criogenico per Astrofisica X sviluppiamo tecnologia di frontiera per l’osservazione del cielo in raggi X dallo spazio. L’obiettivo finale è quello di studiare le componenti più calde ed i fenomeni più energetici dell’Universo, per la cui osservazione sono richiesti rivelatori ad elevata risoluzione spettrale e basso rumore di fondo. Questi rivelatori sono basati su sensibilissimi termometri superconduttivi TES (Transition Edge Sensor), che vengono operati ad una temperatura prossima allo zero assoluto (T=50 mK, circa -273 °C). Per raggiungere questa temperatura nel nostro laboratorio sono presenti due complessi sistemi di raffreddamento: un criostato a diluizione ed un criostato a demagnetizzazione adiabatica. Al momento il nostro lavoro è dedicato allo sviluppo di un rivelatore TES per la missione ATHENA dell’ESA, un grande osservatorio X che verrà lanciato nel 2037.

In dettaglio

Nel laboratorio in questione sono presenti 3 criostati usati usualmente per caratterizzazione rivelatori ed elettronica di readout da circa 3 K a circa 20 mK. Tutti questi criostati sono di tipo “dry”, ovvero non necessitano di criogeni liquidi in “perdita” per poter raggiungere le loro temperature di target essendo a “ciclo chiuso”.

In particolare tali criostati sono pilotati da:


  1. Un refrigeratore a diluizione He3/He4 (Tbase < 10 mK) accoppiato ad un Pulse Tube (Tbase < 3 K) per pre-raffreddare l’inserto a diluizione

  2. Un ADR della Vericold (Adiabatic Demagnetization Refrigerator) (Tbase < 50 mK) accoppiato ad un Pulse Tube (Tbase < 4K) per pre-raffreddare l’inserto ADR. Il criostato opera all’interno di cabina schermata per EMI, IN/OUT filtrati da filtri passa-basso, e schermo di mu-metal per attenuare campo magnetico esterno

  3. Un Pulse Tube della Transmit (Tbase < 3K)


Tutti i Pulse Tube operano con gas He6. Tutti questi criostati sono equipaggiati con sistemi di termoregolazione attiva di tipo PID, corredati pertanto da strumentazione dedicata. Sono inoltre previsti per tutti e tre due ingressi ottici fino allo stadio a piu’ bassa temperatura, usualmente chiusi con flange cieche.

Tipicamente il livello di vuoto al quale si fa partire il raffreddamento, realizzato con pompe a secco sia nello stadio di pre-vuoto che in quello successivo, e’ tra 10-2 e 10-3 mbar, a seconda del criostato, per arrivare ad una pressione finale in esercizio tra 10-5 e 10-6 mbar. Tutti i parametri di ambiente (temperature, pressioni livello di vuoto, etc…) vengono acquisiti attraverso programmi o da noi sviluppati (s/w National Instruments) oppure proprietari sviluppati dalla casa madre.


L’uso di questi criostati e’ necessario per caratterizzare rivelatori criogenici superconduttivi basati su TES (Transition Edge Sensor) e relativa elettronica di lettura criogenica basata su SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) sia per sviluppi R&D che abilitanti tecnologie adottate a bordo della missione Athena per lo strumento X-IFU (rivelatore per anticoincidenza di particelle denominato CryoAC).

Caratteristiche tecniche

Refrigeratore a diluizione (Oxford Triton DU7 – 500):

  • Volume a T < 100 mK: ~ 11 litri (Φ = 240 mm, h = 240 mm)
  • Cooling power @100mK: > 450 μW
  • Cooling power @50mK: 115 μW
  • Cooling power @4.2K: 1.5 W
  • Cooling power @45K: 40 W



Refrigeratore a demagnetizzazione adiabatica (VERICOLD):

  • Volume a T < 100 mK: ~ 1.2 litri (Φ = 160 mm, h = 60 mm)
  • Cooling energy (zero carico) @100mK: 83 mJ
  • Cooling energy (zero carico) @50mK: 17 mJ
  • Cooling power (zero carico) @4K: 0.35 W
  • Cooling power (zero carico) @50K: 5 W



Refrigeratore Pulse Tube (Transmit PTD-406C):

  • Volume a T = 4 K: ~ 3.2 litri (Φ = 162 mm, h = 160 mm)
  • Cooling power @4K: 0.4 W
  • Cooling power @38K: 5 W




Poiché i Pulse Tube sono collegati a compressori che ciclano gas He6, tali compressori devono essere raffreddati ad acqua. La presente facility dispone di un chiller a ciclo chiuso che permette questa operazione. Il refrigeratore a diluzione necessita di azoto liquido per il raffreddamento di una trappola esterna, utilizzata per mantere pulita la miscela di He3/He4. Il consumo tipico è di 180L di azoto liquido per mese di operazione. La gestione dei criostati prevede due unità di personale per poter installare gli esperimenti e preparare il setup. Successivamente, salvo imprevisti, è necessaria una sola unità di personale per gestire le operazioni che sono in maggior parte automatizzate.