Laboratorio di misure nucleari

A.A. 2019/2020
6
Crediti massimi
66
Ore totali
SSD
FIS/01 FIS/04
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Questo corso approfondisce l'aspetto sperimentale di alcuni concetti acquisiti, o in corso di acquisizione, nel corso di Istituzioni di Fisica Nucleare e Particellare. Questi concetti sono: la vita media, la sezione d'urto e il passaggio della radiazione nella materia. In particolare, lo studente si familiarizza con i principi fisici e le tecniche di rivelazione della radiazione nucleare e naturale, con l'elettronica di amplificazione del segnale e di acquisizione dei dati. Lo studente imparerà l'importanza di pianificare una misura semplice ma non banale, tenendo conto di errori statistici e sistematici e applicherà in un diverso contesto quanto appreso nei laboratori precedenti, incluso il laboratorio di analisi numerica dei dati sperimentali. Imparerà infine a comunicare i risultati della misura, stilando tre relazioni di laboratorio e preparando una presentazione orale. La formazione data da questo laboratorio potrà essere applicata sia nella ricerca fondamentale che in altri settori di fisica applicata.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente alla fine del corso sarà in grado di
1. Pianificare una misura di radiazione nucleare o naturale (raggi cosmici)
2. Scegliere il tipo di rivelatore di radiazione in base alla misura da effettuare
3. Ottimizzare i parametri dell'elettronica di amplificazione
4. Calibrare un rivelatore di radiazione
5. Sottrarre il fondo di rumore elettronico e di radioattività naturale
6. Operare un sistema di acquisizione elettronica di dati con diverse migliaia di misure
7. Analizzare i dati acquisiti e mostrare graficamente i risultati, includendo errori statistici e sistematici e fit a modelli teorici
8. Interpretare i risultati ottenuti, analizzandoli criticamente e confrontandoli direttamente o indirettamente con i valori presenti in letteratura
9. Redigere una relazione scientifica dettagliata, sia singolarmente che come lavoro di gruppo
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Lezioni frontali:
richiami di radioattività, interazione della radiazione con la materia;
Rivelatori di radiazione: deriva di carca elettrica, scintillatori; ionizzazione e drift della carica nei gas, nei solidi e nei liquidi
Esercizi sullo schermaggio e sull'efficienza di rivelazione.
Principi di funzionamento alcuni moduli di elettronica: preamplificatori, amplificatori, coincidenze, contatori, linee di ritardo (cavi), ADC, TDC
The photomultiplier and solid-state photon detecting devices (SiPM)
Richiamo di statistica degli errori nelle misure; risoluzione energetica, temporale.
Richiamo sui raggi cosmici, sezioni d'urto.
Sicurezza in laboratorio con sorgenti radioattive, elementi di radioprotezione.
Lezioni prevalentemente in Italiano, con vocabolario tecnico inglese, o in inglese su richiesta degli studenti.

Programma di laboratorio:
Comune a tutti gli esperimenti:
a. Ottimizzazione della catena di amplificazione elettronica e calibrazione dei rivelatori
b. Studio dei fondi
c. Acquisizione e analisi dati
Esperienze sulle Tecniche di rivelazione (una delle seguenti)
Spettro di una sorgente beta con rivelatore in Silicio
Spettri di sorgenti alfa con rivelatore in Silicio
Spettri di sorgenti gamma con rivelatori a scintillazione inorganici e misure di radioattività naturale: picco del potassio.
Risoluzione energetica e temporale di rivelatori a scintillazione plastici
Curve I-V e C-V di rivelatori a semiconduttore e relativa efficienza di rivelazione
Misure di fisica nucleare e delle particelle (una delle seguenti)
Misura della sezione d'urto Compton
Misura della vita media del muone
Misura della sezione d'urto di Rutherford
Misura della perdita di energia delle particelle alfa in aria
Misura del coefficiente di attenuazione gamma in vari materiali, a varie energie
Misura dei parametri dello spettro beta: prova indiretta dell'esistenza del neutrino.
Prerequisiti
Avere familiarità col trattamento statistico degli errori sperimentali. Aver seguito il corso di "Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare" e averne capito e ritenuto i concetti fondamentali: decadimenti radioattivi, sezione d'urto, passaggio della radiazione nella materia. Aver seguito il corso/laboratorio di "Analisi numerica dei dati sperimentali" ed essere in grado di utilizzare l'ambiente root per semplici analisi dei dati e visualizzazione grafica (plot e istogrammi).
Metodi didattici
La prima parte del corso viene svolta con lezioni frontali, con esercizi di rilevanza pratica. La seconda parte del corso si svolge in laboratorio, dove viene prima mostrato come pianificare e svolgere un esperimento; successivamente gli studenti, in piccoli gruppi, svolgeranno in autonomia due esperienze, delle quali scriveranno individualmente relazioni di laboratorio, in italiano o in inglese.
Materiale di riferimento
Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, W. R. Leo
Radiation Detection and Instrumentation, G.F. Knoll
Physics and Engineering of Radiation Detection, S. N. Ahmed
Introduction to Nuclear and Particle Physics, S. D'Auria
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica dell'apprendimento è basata su una sintesi di quattro elementi: le due relazioni scritte individuali, su due esperimenti; la valutazione sull'attività di laboratorio; la presentazione finale su uno degli esperimenti svolti; il colloquio orale riguardante sia la le relazioni scritte, sia la conoscenza del funzionamento dei rivelatori trattati nel corso.
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 0
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 0
Laboratori: 54 ore
Lezioni: 12 ore
Docente: D'Auria Saverio