Laboratorio di misure nucleari

A.A. 2021/2022
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
In caso di accesso solo parziale alle strutture universitarie, le lezioni frontali verranno tenute on-line, in modalità sincrona, con appunti distribuiti su Ariel.
Per quanto riguarda gli esperimenti, in caso di chiusura totale agli studenti il programma sperimentale utilizzerà contatori Geiger da asporto presi in prestito dal dipartimento per una presa dati attiva, ma da casa. Altre esperienze potranno essere effettuate fisicamente dal docente in remoto, con dati presi in modalità sincrona con la collaborazione degli studenti nel cambio dei parametri; agli studenti verrà chiesto di analizzare questi dati e redigere una relazione scientifica.
Programma
Lezioni frontali:
richiami di radioattività, interazioni della radiazione con la materia;
Rivelatori di radiazione: ionizzazione e drift della carica elettrica nei gas, nei solidi e nei liquidi: il contatore Geiger; rivelatori a scintillazione.
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
Il fotomoltiplicatore e dispositivi a stato solido per la rivelazione difotoni singoli (SiPM).
Richiamo di statistica degli errori nelle misure; risoluzione energetica e 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 e del flusso di muoni cosmici (4EU+) con time-stamp
Misura della sezione d'urto di Rutherford (soggetta a acquisizione della strumentazione)
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.
Tutti gli esperimenti prevedono l'uso di acquisizione dati via computer. Agli studenti verrà chiesto di scrivere e far funzionare semplici programmi di analisi numerica dei dati, in ambiente root.
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 di 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, in italiano o in inglese. 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. Un gruppo di studenti effettuerà le misure in collaborazione on-line con studenti di Praga e Copenhagen che useranno strumentazione simile, controllando i risultati e scambiandosi dati. Si prevedono anche alcune lezioni dal vivo (oppure on-line) in inglese in comune con corsi simili delle due università nell'ambito della collaborazione 4EU+.
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
Note delle lezioni e dispense del corso su Ariel, in italiano e in inglese.
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 e le basi di radioprotezione.
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 0
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 0
Laboratori: 54 ore
Lezioni: 12 ore
Docente: D'Auria Saverio