Elettronica nucleare
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di trasmettere agli studenti conoscenze approfondite sul rumore elettronico e la sua propagazione in sistemi lineari tempo-invarianti e tempo-varianti, nonché sulle tecniche di ottimizzazione del rapporto segnale-rumore in presenza di rumore a densità spettrale arbitraria. Quale caso di studio verrà considerata la spettrometria ad alta risoluzione di radiazioni nucleari.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine dell'insegnamento avrà acquisito le seguenti competenze:
1. saprà descrivere i meccanismi fisici che generano rumore elettronico;
2. conoscerà il concetto di densità spettrale di rumore e saprà calcolare il rapporto segnale-rumore;
3. saprà propagare le sorgenti di rumore elettronico nei circuiti lineari e/o riferirle all'ingresso;
4. avrà compreso il concetto di funzione peso e di filtraggio ottimo;
5. saprà descrivere i blocchi principali di un sistema elettronico per spettroscopia di radiazioni ionizzanti;
6. conoscerà il principio di funzionamento e le caratteristiche statiche, dinamiche e di rumore del preamplificatore di carica;
7. saprà ricavare la forma dei segnali generati da rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti;
8. conoscerà le tecniche di ottimizzazione a livello fisico e di processing della catena elettronica per la rivelazione di particelle e radiazioni ionizzanti.
1. saprà descrivere i meccanismi fisici che generano rumore elettronico;
2. conoscerà il concetto di densità spettrale di rumore e saprà calcolare il rapporto segnale-rumore;
3. saprà propagare le sorgenti di rumore elettronico nei circuiti lineari e/o riferirle all'ingresso;
4. avrà compreso il concetto di funzione peso e di filtraggio ottimo;
5. saprà descrivere i blocchi principali di un sistema elettronico per spettroscopia di radiazioni ionizzanti;
6. conoscerà il principio di funzionamento e le caratteristiche statiche, dinamiche e di rumore del preamplificatore di carica;
7. saprà ricavare la forma dei segnali generati da rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti;
8. conoscerà le tecniche di ottimizzazione a livello fisico e di processing della catena elettronica per la rivelazione di particelle e radiazioni ionizzanti.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Nel corso verrà descritta dettagliatamente la catena elettronica per la misura dei segnali generati dai rivelatori a semiconduttore, con particolare accento sul fenomeno del rumore elettronico, la sua origine fisica e le tecniche per minimizzarne gli effetti. Gli argomenti trattati sono i seguenti:
- Elementi di teoria del segnale e del rumore elettronico.
Descrizione del segnale nel dominio del tempo e della frequenza (trasformata di Fourier). Principali fonti di rumore (rumori termici, rumore shot, rumore 1/f e lorentziano). Funzione di autocorrelazione e densità spettrale di rumore. Rapporto segnale rumore, risoluzione delle misure
- Rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti (X e gamma).
Principi di funzionamento. Fattore di Fano. Parametri elettrici (capacità, corrente di fuga). Effetti di bordo. Rapporto picco-valle.
- Preamplificazione e amplificazione del segnale.
Richiami sugli amplificatori retroazionati a massa virtuale. Preamplificatore di carica (struttura circuitale, funzione di trasferimento, tempo di salita, tempo di reset, tempo morto). Carica equivalente di rumore (ENC).
- Ottimizzazione del rapporto segnale/rumore delle misure spettrali
Accoppiamento ottimo rivelatore-preamplificatore. Filtro ottimo teorico. Filtri formatori analogici (funzione peso, tempo di formatura, baseline restorer).
- Conversione analogico-numerica del segnale e filtraggio digitale.
Tecniche di conversione. Non linearità integrale e differenziale. Tecniche di correzione. Filtri formatori digitali. Baseline restorer digitale.
- Elementi di teoria del segnale e del rumore elettronico.
Descrizione del segnale nel dominio del tempo e della frequenza (trasformata di Fourier). Principali fonti di rumore (rumori termici, rumore shot, rumore 1/f e lorentziano). Funzione di autocorrelazione e densità spettrale di rumore. Rapporto segnale rumore, risoluzione delle misure
- Rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti (X e gamma).
Principi di funzionamento. Fattore di Fano. Parametri elettrici (capacità, corrente di fuga). Effetti di bordo. Rapporto picco-valle.
- Preamplificazione e amplificazione del segnale.
Richiami sugli amplificatori retroazionati a massa virtuale. Preamplificatore di carica (struttura circuitale, funzione di trasferimento, tempo di salita, tempo di reset, tempo morto). Carica equivalente di rumore (ENC).
- Ottimizzazione del rapporto segnale/rumore delle misure spettrali
Accoppiamento ottimo rivelatore-preamplificatore. Filtro ottimo teorico. Filtri formatori analogici (funzione peso, tempo di formatura, baseline restorer).
- Conversione analogico-numerica del segnale e filtraggio digitale.
Tecniche di conversione. Non linearità integrale e differenziale. Tecniche di correzione. Filtri formatori digitali. Baseline restorer digitale.
Prerequisiti
1. Fondamenti di elettrostatica
2. Basi di teoria delle reti lineari
3. Uso di trasformate e antitrasformate di Fourier e Laplace
4. Concetto di retroazione negativa
5. Fondamenti di statistica
6. Fondamenti di fisica dei semiconduttori
2. Basi di teoria delle reti lineari
3. Uso di trasformate e antitrasformate di Fourier e Laplace
4. Concetto di retroazione negativa
5. Fondamenti di statistica
6. Fondamenti di fisica dei semiconduttori
Metodi didattici
Viene adottato un metodo didattico top-down, in cui il docente illustra gli argomenti partendo da una visione intuitiva d'insieme e da aspetti generali, per poi approfondire punti specifici con dovizia di dettagli matematici, fisici, ingegneristici. Una ampia parte dell'insegnamento è dedicata al caso di studio della catena elettronica per spettroscopia di radiazioni ionizzanti.
Materiale di riferimento
E. Gatti, P.F. Manfredi, "Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particle physics"
A cura di A. Pullia, "Dispense di strumentazione elettronica", CD-ROM
A cura di A. Pullia, "Dispense di strumentazione elettronica", CD-ROM
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica delle conoscenze avviene attraverso un colloquio focalizzato su specifici aspetti del programma a scelta del docente. La valutazione tiene conto sia delle competenze acquisite (50%) sia della qualità dell'esposizione e della capacità di inquadrare i vari aspetti nel contesto generale (50%)
Docente/i
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