Laboratorio di fisica dei plasmi 1
A.A. 2023/2024
Obiettivi formativi
L'insegnamento intende fornire competenze in metodi sperimentali applicati nello studio di plasmi (in particolare plasmi non neutri) e fasci di particelle cariche.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine dell'insegnamento avrà acquisito il seguente insieme di conoscenze e abilità:
- Fondamenti di teoria dei plasmi/plasmi non neutri
- Nozioni fondamentali sull'interesse della fisica sperimentale dei plasmi non neutri
- Fondamenti di tecnica del vuoto
- Conoscenza di teoria e pratica del funzionamento di macchine sperimentali per la fisica dei plasmi (trappole di Penning-Malmberg)
- Formulazione e progettazione di esperimenti e routine sperimentali
- Esecuzione di esperimenti con reale strumentazione di ricerca
- Teoria e pratica di acquisizione e analisi dati: segnali elettrostatici, analisi di Fourier
- Teoria e pratica di acquisizione e analisi dati: immagini da schermi al fosforo - fotocamere CCD, denoising e analisi dell'immagine
- Preparazione di relazioni sperimentali, valutazione critica di risultati e limitazioni sperimentali.
- Fondamenti di teoria dei plasmi/plasmi non neutri
- Nozioni fondamentali sull'interesse della fisica sperimentale dei plasmi non neutri
- Fondamenti di tecnica del vuoto
- Conoscenza di teoria e pratica del funzionamento di macchine sperimentali per la fisica dei plasmi (trappole di Penning-Malmberg)
- Formulazione e progettazione di esperimenti e routine sperimentali
- Esecuzione di esperimenti con reale strumentazione di ricerca
- Teoria e pratica di acquisizione e analisi dati: segnali elettrostatici, analisi di Fourier
- Teoria e pratica di acquisizione e analisi dati: immagini da schermi al fosforo - fotocamere CCD, denoising e analisi dell'immagine
- Preparazione di relazioni sperimentali, valutazione critica di risultati e limitazioni sperimentali.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
LEZIONI:
Cenni di fisica dei plasmi quasi neutri. Introduzione ai plasmi non neutri. Modi di diocotron, derivazione dell'equazione agli autovalori. Instabilità ionica e resistiva dei modi di diocotron. Metodi di manipolazione del plasma: feedback damping, autorisonanza. Temperatura e diffusione del plasma intrappolato.
Analisi armonica di un segnale: serie di Fourier, trasformata continua e discreta di Fourier, teorema di sampling, limite di Nyquist e aliasing.
Elementi di sicurezza in laboratorio.
Descrizione dell'apparato sperimentale (trappola di Penning-Malmberg), delle diagnostiche e della strumentazione presente in laboratorio.
Elementi di tecnica del vuoto e di elettronica di misura (amplificatori per segnali elettrostatici; transimpedenza).
Introduzione all'analisi dati: metodi, procedure, creazione di programmi di analisi e visualizzazione dei risultati nell'analisi di immagini e segnali.
ESPERIMENTI (gli studenti eseguiranno alcune delle esperienze illustrate nel seguito):
Misure elettrostatiche e ottiche di carica e densità, calibrazione dell'immagine da CCD.
Misura di frequenza e ampiezza del primo modo di diocotron (l=1) per una colonna di elettroni.
Misura del tasso di crescita dell'instabilità resistiva del modo l=1.
Controllo del modo l=1 tramite tecnica a feedback.
Eccitazione del modo l=1 e caratterizzazione del fenomeno di autorisonanza.
Eccitazione di modi di diocotron di ordine superiore tramite campi elettrici rotanti.
Misura del profilo di densità in funzione del tempo di intrappolamento e calcolo del coefficiente di diffusione radiale.
Misura della temperatura parallela (assiale) del plasma di elettroni.
Cenni di fisica dei plasmi quasi neutri. Introduzione ai plasmi non neutri. Modi di diocotron, derivazione dell'equazione agli autovalori. Instabilità ionica e resistiva dei modi di diocotron. Metodi di manipolazione del plasma: feedback damping, autorisonanza. Temperatura e diffusione del plasma intrappolato.
Analisi armonica di un segnale: serie di Fourier, trasformata continua e discreta di Fourier, teorema di sampling, limite di Nyquist e aliasing.
Elementi di sicurezza in laboratorio.
Descrizione dell'apparato sperimentale (trappola di Penning-Malmberg), delle diagnostiche e della strumentazione presente in laboratorio.
Elementi di tecnica del vuoto e di elettronica di misura (amplificatori per segnali elettrostatici; transimpedenza).
Introduzione all'analisi dati: metodi, procedure, creazione di programmi di analisi e visualizzazione dei risultati nell'analisi di immagini e segnali.
ESPERIMENTI (gli studenti eseguiranno alcune delle esperienze illustrate nel seguito):
Misure elettrostatiche e ottiche di carica e densità, calibrazione dell'immagine da CCD.
Misura di frequenza e ampiezza del primo modo di diocotron (l=1) per una colonna di elettroni.
Misura del tasso di crescita dell'instabilità resistiva del modo l=1.
Controllo del modo l=1 tramite tecnica a feedback.
Eccitazione del modo l=1 e caratterizzazione del fenomeno di autorisonanza.
Eccitazione di modi di diocotron di ordine superiore tramite campi elettrici rotanti.
Misura del profilo di densità in funzione del tempo di intrappolamento e calcolo del coefficiente di diffusione radiale.
Misura della temperatura parallela (assiale) del plasma di elettroni.
Prerequisiti
È richiesta una buona conoscenza di meccanica classica ed elettromagnetismo. La frequenza degli insegnamenti per la laurea magistrale 'Elettrodinamica classica' e 'Fisica dei plasmi e della fusione controllata' è utile, ma non necessaria.
Metodi didattici
La prima parte dell'insegnamento consiste in lezioni frontali sui fondamenti di fisica dei plasmi, di tecniche sperimentali e di metodi di analisi dati necessari per svolgere gli esperimenti. La seconda parte è basata su una serie di esperimenti in laboratorio, accompagnati da un'introduzione generale e una discussione collettiva su metodologie e problemi attesi a priori e riscontrati a posteriori. Parte del tempo è destinato alla discussione e alla valutazione critica di analisi dati e risultati.
Materiale di riferimento
Dispense e articoli inerenti gli esperimenti trattati (distribuiti durante l'insegnamento).
Ronald C. Davidson, "Physics of Nonneutral Plasmas", Addison-Wesley, Redwood City, 1990 (estratti).
Ronald C. Davidson, "Physics of Nonneutral Plasmas", Addison-Wesley, Redwood City, 1990 (estratti).
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame è basato sulla redazione di una relazione sugli esperimenti svolti durante l'insegnamento e su una discussione orale di 45-60 minuti. La discussione tratta degli aspetti fisici e tecnici degli esperimenti e intende valutare le capacità di valutazione critica e le competenze maturate dallo studente durante l'insegnamento.
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Laboratori: 36 ore
Lezioni: 21 ore
Lezioni: 21 ore
Docenti:
Maero Giancarlo, Rome' Massimiliano Gaetano
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento via email
Via Celoria 16: studio (primo piano edificio DC) / laboratorio (edificio ex-ciclotrone); online via Zoom/Skype
Ricevimento:
Venerdì, 9:30-12:30 (su appuntamento)
ufficio presso Dipartimento di Fisica