Laboratorio di misure nucleari

A.A. 2018/2019
Insegnamento per
6
Crediti massimi
66
Ore totali
SSD
FIS/01 FIS/04
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Lo studente sarà in grado di impostare semplici esperimenti, calibrare l'apparato e studiarne le efficienze ed effettuare analisi dati.

Struttura insegnamento e programma

CORSO A
Edizione attiva
Responsabile
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 0
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 0
Laboratori: 54 ore
Lezioni: 12 ore
Docente: D'Auria Saverio
Programma
Lo scopo del laboratorio è realizzare un esperimento completo in cui si misurano una o più grandezze riguardanti particelle, nuclidi o radiazione. Si utilizzano rivelatori di radiazione nucleare, quali scintillatori e semiconduttori, strumentazione elettronica e acquisizione controllata da computer. Si applicano metodi statistici per l'analisi dati.
Ogni gruppo di due studenti eseguirà una misura completa su uno degli argomenti qui descritti:

1) Spettroscopia alfa: si utilizzano rivelatori a semiconduttore, in Silicio, per misurare la perdita di energia delle particelle alfa in aria e in altri materiali, e la vita media del 222Rn. L'esperimento include la calibrazione del rivelatore mediante l'acquisizione di spettri alfa da sorgenti note, la misura del fondo e della radioattività alfa di vari campioni di minerali contenenti U e Th.

2)Rivelazione di elettroni: si utilizza un rivelatore in Silicio, spesso un millimetro. L'esperimento consiste nella calibrazione in energia del rivelatore, utilizzando elettroni da conversione interna, e nella misura di spettri beta di varie sorgenti.

3) Misura della sezione d'urto Compton al variare dell'angolo di diffusione,
utilizzando due rivelatori a scintillazione NaI e una sorgente beta+ di 22Na, che emette due gamma a 511 keV, provenienti dall'annichilazione del positrone. Uno dei due gamma è diffuso da un bersaglio di piombo ed è rivelato dallo scintillatore mobile, l'altro gamma è rivelato dallo scintillatore fisso. La coincidenza dei due gamma è usata per abbattere il fondo.

4) Misura dei coefficienti di assorbimento per emissioni gamma di diverse energie in vari spessori di materiali con un rivelatore NaI. Preliminare alle misure è la calibrazione in energia e la misura del fondo ambientale.

5) L'esperienza di spettroscopia gamma si effettua con un rivelatore NaI. La misura preliminare è quella dell'efficienza dell'apparato in funzione dell'energia dei gamma rivelati, utilizzando anche una simulazione numerica. Si procede poi a misurare il fondo ambientale e a individuare nuclidi radioattivi tramite il loro spettro di emissione gamma. Infine si verifica la condizione di equilibrio secolare in una catena di decadimenti.

6) Misura della vita media dei muoni con raggi cosmici: si utilizza un "telescopio" di rivelatori plastici a scintillazione per misurare il flusso dei raggi cosmici penetranti (muoni) al suolo. Preliminarmente si eseguono misure di flusso e di velocità dei muoni.

Comune a tutti gli esperimenti:
a. Ottimizzazione della catena elettronica e calibrazione dei rivelatori
b. Studio dei fondi
c. Acquisizione e analisi dati
Informazioni sul programma
Gli studenti devono scrivere una relazione contenente la descrizione dell'esperimento, i dati raccolti e l'analisi e interpretazione di questi dati.
Propedeuticità
Laboratori del I e II anno
Si consiglia di seguire allo stesso tempo (primo semestre) o aver seguito (secondo semestre) il corso di Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare
Prerequisiti e modalità di esame
RICHIAMI TEORICI
1.Radioattività
2.Interazione della radiazione con la materia: alfa, elettroni e gamma
3.Principi di funzionamento alcuni moduli di elettronica: preamplificatori, amplificatori, coincidenze.
4.Programmazione in C
5.Teoria degli errori, utilizzo del CHI 2 nella analisi dei dati; la distribuzione delle P(CHI 2), stima degli errori

MODALITA' D'ESAME
Orale, riguardante la relazione scritta dell'esperimento effettuato e la conoscenza dei rivelatori trattati nel corso
Metodi didattici
Modalità di esame: Orale, con relazione scritta che descriva l'esperimento effettuato;
Modalità di frequenza: Obbligatoria;
Modalità di erogazione: Tradizionale
Materiale didattico e bibliografia
Dispensa: Radioattività e Interazione della radiazione con la materia, L. Miramonti (CUSL)
Radiation Detection and Instrumentation, G.F. Knoll
Introductory Nuclear Physics, K.S. Krane
Periodo
Primo semestre
CORSO B
Edizione attiva
Responsabile
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE - CFU: 0
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 0
Laboratori: 54 ore
Lezioni: 12 ore
Programma
Lo scopo del laboratorio è realizzare un esperimento completo in cui si misurano una o più grandezze riguardanti particelle, nuclidi o radiazione. Si utilizzano rivelatori di radiazione nucleare, quali scintillatori e semiconduttori, strumentazione elettronica e acquisizione controllata da computer. Si applicano metodi statistici per l'analisi dati.
Ogni gruppo di due studenti eseguirà una misura completa su uno degli argomenti qui descritti:

1) Spettroscopia alfa: si utilizzano rivelatori a semiconduttore, in Silicio, per misurare la perdita di energia delle particelle alfa in aria e in altri materiali, e la vita media del 222Rn. L'esperimento include la calibrazione del rivelatore mediante l'acquisizione di spettri alfa da sorgenti note, la misura del fondo e della radioattività alfa di vari campioni di minerali contenenti U e Th.

2)Rivelazione di elettroni: si utilizza un rivelatore in Silicio, spesso un millimetro. L'esperimento consiste nella calibrazione in energia del rivelatore, utilizzando elettroni da conversione interna, e nella misura di spettri beta di varie sorgenti.

3) Misura della sezione d'urto Compton al variare dell'angolo di diffusione,
utilizzando due rivelatori a scintillazione NaI e una sorgente beta+ di 22Na, che emette due gamma a 511 keV, provenienti dall'annichilazione del positrone. Uno dei due gamma è diffuso da un bersaglio di piombo ed è rivelato dallo scintillatore mobile, l'altro gamma è rivelato dallo scintillatore fisso. La coincidenza dei due gamma è usata per abbattere il fondo.

4) Misura dei coefficienti di assorbimento per emissioni gamma di diverse energie in vari spessori di materiali con un rivelatore NaI. Preliminare alle misure è la calibrazione in energia e la misura del fondo ambientale.

5) L'esperienza di spettroscopia gamma si effettua con un rivelatore NaI. La misura preliminare è quella dell'efficienza dell'apparato in funzione dell'energia dei gamma rivelati, utilizzando anche una simulazione numerica. Si procede poi a misurare il fondo ambientale e a individuare nuclidi radioattivi tramite il loro spettro di emissione gamma. Infine si verifica la condizione di equilibrio secolare in una catena di decadimenti.

6) Misura della vita media dei muoni con raggi cosmici: si utilizza un "telescopio" di rivelatori plastici a scintillazione per misurare il flusso dei raggi cosmici penetranti (muoni) al suolo. Preliminarmente si eseguono misure di flusso e di velocità dei muoni.

Comune a tutti gli esperimenti:
a. Ottimizzazione della catena elettronica e calibrazione dei rivelatori
b. Studio dei fondi
c. Acquisizione e analisi dati
Informazioni sul programma
Gli studenti devono scrivere una relazione contenente la descrizione dell'esperimento, i dati raccolti e l'analisi e interpretazione di questi dati.
Propedeuticità
Laboratori del I e II anno
Si consiglia di seguire allo stesso tempo (primo semestre) o aver seguito (secondo semestre) il corso di Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare
Prerequisiti e modalità di esame
RICHIAMI TEORICI
1.Radioattività
2.Interazione della radiazione con la materia: alfa, elettroni e gamma
3.Principi di funzionamento alcuni moduli di elettronica: preamplificatori, amplificatori, coincidenze.
4.Programmazione in C
5.Teoria degli errori, utilizzo del CHI 2 nella analisi dei dati; la distribuzione delle P(CHI 2), stima degli errori


MODALITA' D'ESAME
Orale, riguardante la relazione scritta dell'esperimento effettuato e la conoscenza dei rivelatori trattati nel corso
Metodi didattici
Modalità di esame: Orale, con relazione scritta che descriva l'esperimento effettuato;
Modalità di frequenza: Obbligatoria;
Modalità di erogazione: Tradizionale.
Materiale didattico e bibliografia
Dispensa: Radioattività e Interazione della radiazione con la materia, L. Miramonti (CUSL)
Radiation Detection and Instrumentation, G.F. Knoll
Introductory Nuclear Physics, K.S. Krane
Periodo
Secondo semestre
Periodo
Secondo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
Studio: dip. di Fisica - v.Celoria, 16 - ed. Lita IIIp.