Fisica e tecnologia | La Collaborazione internazionale Medipix per lo sviluppo di rivelatori innovativi si riunisce a Ferrara

Esperimenti per comprendere a fondo la struttura e le interazioni della materia, ma non soltanto. Ciò che si studia nei migliori laboratori di fisica delle particelle, come il CERN di Ginevra, può portare innovazione anche in altri campi, uno su tutti, quello medico. 

Individuare queste possibilità e svilupparle è lo scopo della Collaborazione internazionale Medipix, iniziativa nata alla fine degli anni '90, da ricercatori del CERN impegnati nello sviluppo di circuiti integrati per la realizzazione di rivelatori a pixel innovativi. Allo stato attuale, la collaborazione è arrivata alla quarta edizione (Medipix4) e comprende numerosi istituti ed enti di ricerca internazionali tra cui l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

I gruppi di ricerca aderenti a Medipix si sono incontrati il 23 e 24 giugno a Ferrara.

Partecipanti al meeting Medipix in un momento conviviale

“La collaborazione ha come scopo il trasferimento di tecnologie sviluppate per gli esperimenti di fisica delle particelle elementari, come quelli attualmente in funzione presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, al di fuori del campo della fisica delle alte energie”, spiega il professor Massimiliano Fiorini, docente del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara, coordinatore per l’Italia della collaborazione Medipix4, costituita dalle sezioni INFN di Ferrara, Pisa, Napoli, Trieste e dei Laboratori Nazionali del Sud (Catania).

“Durante questo meeting ricercatori da tutto il mondo hanno presentato gli ultimi sviluppi tecnologici, i risultati delle misure sperimentali e degli studi delle applicazioni di questi rivelatori innovativi”, aggiunge il ricercatore.

“Il gruppo di Ferrara, oltre a gestire il coordinamento nazionale delle attività, è impegnato su vari fronti all’interno della collaborazione: a partire dallo sviluppo dell’elettronica e del software per l’acquisizione dei segnali generati dai rivelatori, allo studio di possibili applicazioni in ambito medico, in particolare della diagnostica per immagini con raggi X, e per la caratterizzazione di materiali.”

L’obiettivo della Collaborazione è lo sviluppo di circuiti integrati adatti alla realizzazione di rivelatori a pixel ibridi per la misura di particelle e radiazioni. La caratteristica innovativa di questi rivelatori è la possibilità di misurare la singola particella (per esempio un singolo fotone X), di determinarne la posizione con elevata risoluzione spaziale e temporale, e soprattutto di misurarne l’energia. 

La misura dell'energia del fotone, unita all'elevata risoluzione spaziale, permette l'implementazione di tecniche radiografiche innovative nell'ambito del cosiddetto “spectral imaging”. I raggi X infatti, rappresentano una radiazione policromatica come la luce visibile, per cui le diverse frequenze (energie) possono essere sfruttate per la caratterizzazione di diversi tessuti biologici (o diversi materiali). In questo modo è possibile applicare degli algoritmi che consentono di distinguere tra tessuti patologici e tessuti sani nell'immagine radiografica, presentando ai radiologi un’immagine “a colori”. Clinicamente ciò si traduce nella capacità di ottenere immagini con un potere diagnostico più elevato rispetto alla radiografia tradizionale.

Il gruppo ferrarese è costituito da fisici dell’Università di Ferrara (Massimiliano Fiorini, Angelo Taibi, Gianfranco Paternò, Giovanni Di Domenico), da ricercatori e tecnologi della sezione di Ferrara dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Nicolò Vladi Biesuz, Paolo Cardarelli, Angelo Cotta Ramusino) e da dottorandi e giovani laureandi (Riccardo Bolzonella, Viola Cavallini, Shinichi Okamura). Il gruppo si avvale inoltre della collaborazione con la radiologia universitaria diretta dal prof. Melchiore Giganti. Grazie al contributo della prof.ssa Cristina Trevissoi è stato inoltre avviato un programma di divulgazione per spiegare a studenti delle scuole secondarie superiori concetti avanzati legati alla radioattività, facendo “vedere” direttamente agli studenti diversi tipi di radiazioni che si incontrano nella vita quotidiana.

Rivelatore a pixel ibrido basato sul circuito integrato Timepix3, sviluppato nell'ambito della collaborazione internazionale Medipix

La collaborazione Medipix

La Collaborazione Medipix ha l’obiettivo di sviluppare circuiti integrati con prestazioni oltre lo stato dell’arte per la rivelazione e l’imaging di varie particelle elementari, dimostrando il grande potenziale applicativo della tecnologia dei rivelatori a pixel ibridi al di fuori della fisica delle alte energie.

I circuiti integrati delle famiglie Medipix e Timepix sono stati uno dei casi di trasferimento tecnologico di maggior successo del CERN. A partire dagli anni ‘90, la collaborazione Medipix ha innescato un numero significativo di attività di ricerca e commerciali in aree di applicazione molto diverse: imaging medicale, dosimetria spaziale, diagnostica per i beni culturali e divulgazione scientifica solo per citarne alcuni. Ad oggi, i partner industriali e i titolari di licenza che commercializzano la tecnologia Medipix spaziano da imprese consolidate a recenti start-up. Questo processo contribuisce quindi alla creazione di valore, non solo nell'ambito dell’innovazione e delle applicazioni, ma anche attraverso la promozione e sviluppo di attività commerciali ad elevato contenuto tecnologico innovativo.

La collaborazione internazionale Medipix4, la più recente, è stata lanciata nel 2016 e comprende 16 istituti provenienti da 12 nazioni. L'obiettivo della collaborazione è la realizzazione di due chip per la costruzione di rivelatori innovativi con prestazioni senza precedenti: Medipix4, che punta ad applicazioni di imaging a raggi X spettroscopico e Timepix4, che permette l'identificazione e il tracciamento delle particelle con un’elevata precisione spaziale e temporale. Un'altra caratteristica fondamentale è che questi chip, per la prima volta, potranno essere affiancati su tutti e quattro i lati per realizzare grandi superfici di rivelazione. 

Infatti, finora è stato possibile realizzare chip di lettura che potevano essere affiancati solo su tre lati. Il quarto lato era invece occupato dall’elettronica necessaria per la lettura dei segnali e il trasferimento dei segnali all’esterno, rendendo impossibile coprire ampie aree di rivelazione senza zone inattive.

I nuovi chip saranno realizzati con una tecnologia di “integrazione verticale” chiamata through-silicon-via (TSV). Questa offre la possibilità di leggere i chip attraverso fori riempiti di materiale conduttore che portano i segnali dal lato anteriore del chip al retro.  In altre parole, tutta la comunicazione con la matrice di pixel passerà attraverso la parte posteriore del chip: la logica periferica e gli elementi di controllo saranno integrati all'interno della matrice di pixel. Ciò non solo consentirà di coprire grandi aree, ma consentirà anche lo sviluppo di nuove architetture di lettura, evitando la necessità di inviare tutti i dati sui lati del chip per la lettura, aprendo la strada a innumerevoli potenziali nuove applicazioni.

Il chip Timepix3 viene utilizzato nell'ambito delle collaborazioni Medipix3, con applicazioni nell'imaging medico, nella didattica e divulgazione, nella dosimetria spaziale e nell'analisi dei materiali

La tecnologia del CERN aiuta a riscoprire la pittura perduta di Raffaello

L'astronauta Craig Cassidy nella Cupola della Stazione Spaziale Internazionale. Il Fitpix-Lite basato su Timepix è collegato al laptop nell'angolo in basso a sinistra.

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