Interazione e rivelazione della radiazione nucleare

A.A. 2021/2022
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/04
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso si propone di fornire nozioni di base sui meccanismi di interazione con la materia per particelle cariche, raggi gamma e neutroni. Verranno inoltre illustrati i principi base di funzionamento dei principali rivelatori e le loro proprietà, prendendo in considerazione rivelatori a gas, a scintillazione e a semiconduttore. Nella seconda parte del corso, verranno presentati apparati di rivelazione attuali e/o in fase di costruzione, in collegamento con la realizzazione di esperimenti di frontiera nel campo della fisica nucleare.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso, lo studente sarà a conoscenza dei meccanismi di interazione della radiazione con la materia, e dei principali fenomeni associati. in particolare, sarà in grado di dare stime per
i) perdita di energia secondo Bethe-Block, range e straggling per particelle cariche in diversi materiali;
ii) probabilità di effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie per radiazione gamma di energia keV - 10 MeV;
iii) sezione d'urto di neutroni al variare dell'energia, e probabilità di interazione mediante processi di scattering e cattura.
Lo studente sarà in grado di discutere il funzionamento base delle principali classi di rivelatori, in particolare:
i) rivelatori a gas: camera a ionizzazione, contatori proporzionali, contatori Geiger-Muller;
ii) rivelatori a scintillazione: organici, inorganici, guide di luce, tubi fotomoltiplicatori:
iii) rivelatori a semiconduttore: giunzione pn, rivelatori iperpuri, in particolare basati su Si e Ge;
iv) rivelatori per neutroni.
Lo studente sarà in grado di proporre configurazioni ottimali di sistemi di rivelazione per lo studio di selezionati casi fisici di attuale interesse per la fisica nucleare, che richiedono strumentazione avanzata. Ad esempio:
i) apparati a multi-rivelatori di grosso volume, basati di Ge iperpuri compositi o segmentati;
ii) apparati costituiti da scintillatori di grosso volume anche in configurazione phoswich;
iii) apparati per la misura di elettroni di conversione;
iv) apparati per la misura di ioni pesanti di bassa energia o per frammenti di fissione;
v) apparati modulari per la misura di neutroni veloci.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Primo semestre
Le lezioni saranno svolte da remoto, in modalità sincrona, e utilizzeranno la piattaforma Zoom. Una loro registrazione sarà resa disponibile alla pagina web del docente.
Programma
L'insegnamento si propone di approfondire i meccanismi di interazione della radiazione con la materia, i principali fenomeni associati ed il funzionamento base delle principali classi di rivelatori.
In particolare, ampio spazio viene dato alla discussione dei seguenti argomenti:
1) perdita di energia secondo Bethe-Block e sue correzioni, range, picco di Bragg, straggling per particelle cariche in diversi materiali;
2) interazione della radiazione gamma nel mezzo: probabilità di effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie per radiazione gamma di energia keV - 10 MeV; Funzione di risposta di un generico rivelatore, schermi anti-Compton;
3) interazione di neutroni con il mezzo: sezione d'urto al variare dell'energia del neutrone, probabilità di interazione mediante processi di scattering e cattura; distribuzione energetica e angolare dei neutroni diffusi, moderazione di neutroni e processi base per la loro rivelazione;
4) rivelatori a gas: camera a ionizzazione, contatori proporzionali, contatori Geiger-Muller;
5) rivelatori a scintillazione: organici, inorganici, guide di luce, tubi fotomoltiplicatori:
6) rivelatori a semiconduttore: giunzione pn, rivelatori iperpuri, in particolare basati su Si e Ge;
7) rivelatori per neutroni;
8) cenni sul trattamento dell'informazione associata agli impulsi dai rivelatori:
analisi di ampiezza (ballistic deficit, segnale/rumore, pile-up); preamplificatore, amplificatore lineare; misure temporali; coincidenze spurie e casuali; analisi della forma dell'impulso;
applicazione alla discriminazione n-gamma;
9) uso della radiazione ionizzante in campo medico (adroterapia).
Nella parte finale del corso verranno illustrate configurazioni ottimali di sistemi di rivelazione per lo studio di selezionati casi fisici di attuale interesse per la fisica nucleare, che richiedono strumentazione avanzata. Ad esempio:
i) apparati a multi-rivelatori di grosso volume, basati di Ge iperpuri compositi (EUROBALL) o segmentati (AGATA);
ii) apparati costituiti da scintillatori di grosso volume anche in configurazione phoswich (HECTOR e PARIS, MEDEA e TAPS);
iii) apparati per la misura di particelle cariche leggere (MICROBALL, ISIS, EUCLIDES, CHIMERA);
iv) apparati per la misura di elettroni di conversione (spettrometri mini-oranges);
v) apparati per la misura di ioni pesanti di bassa energia o per frammenti di fissione;
vi) apparati modulari per la misura di neutroni veloci (NWALL).
Prerequisiti
Nozioni base di fisica nucleare e particelle, tra cui:
1. decadimenti radioattivi e leggi di decadimento;
2. fissione Nucleare;
3. concetti base di modello a shell nucleare;
4. eccitazioni nucleari collettive (rotazione e vibrazione):
5. reazioni di nucleo composto e reazioni binarie di bassa energia;
6. raggi cosmici;
7. sciami elettromagnetici.
Metodi didattici
Il metodo didattico adottato prevede lezioni in aula su ciascuno degli argomenti del programma, con proiezione di schemi di lezione e grafici/immagini che illustrano nel dettaglio i meccanismi di interazione della radiazione e la strumentazione utilizzata per la rivelazione di radiazione ionizzante e non.
Materiale di riferimento
G.F. Knoll
Radiation Detection and Measurements
Wiley & Sons

W.R. Leo
Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments
Springer-Verlag
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in una verifica orale sugli argomenti riguardanti i) i meccanismi di interazione della radiazione ionizzante (particelle cariche e gamma) e dei neutroni e ii) i principi base di funzionamento dei rivelatori a gas, a scintillazione e a stato solido. E' richiesta inoltre la discussione approfondita di un argomento trattato nella parte finale del corso, riguardante l'utilizzo di tecniche strumentali avanzate per la rivelazione della radiazione mediante apparati a multi-rivelatori allo stato dell'arte, in esperimenti esemplificativi principalmente di fisica nucleare delle basse energie. Nell'esame si valuteranno sia le competenze acquisite sia le capacità critiche nella discussione delle problematiche affrontate.
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente: Leoni Silvia
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
ufficio, Dipartimento di Fisica, Via Celoria 16, Lita 1. piano