LABORATORIO DI FISICA III

Gli obiettivi specifici del presente corso di insegnamento sono i seguenti:

- Fornire le conoscenze teoriche e pratiche relative alle tecniche di laboratorio nel campo della interazione della radiazione con la materia, dei rivelatori di particelle, del trattamento dei segnali e dell’elettronica associata, nonché le metodologie statistiche e numeriche per la simulazione e l’analisi dei dati.

- Essere capaci di eseguire delle misure in laboratorio utilizzando l'opportuna strumentazione di misura

- Acquisire le conoscenze di base relative alle tecniche e al funzionamento della strumentazione adoperata in laboratorio

- Acquisire le conoscenze di base necessarie alla progettazione di semplici esperimenti

- Essere in grado di effettuare calcoli numerici e grafici per l'interpretazione dei dati ottenuti dagli esperimenti

- Apprendere i fondamenti delle tecniche di simulazione e del metodo Monte Carlo

- Utilizzare il framework di analisi ROOT

- Acquisire la capacità di descrivere per iscritto e comunicare oralmente la problematica, le metodologie utilizzate, i risultati, l'analisi e l'interpretazione relativamente agli esperimenti effettuati.

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
• Capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali.
• Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.
• Capacità di montare e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure termomeccaniche ed elettromagnetiche.
• Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.
• Capacità di montare e mettere a punto apparati sperimentali basati sui rivelatori di particelle, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure di fisica moderna.
• Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.
• Capacità di effettuare simulazioni numeriche

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
• Capacità di elaborare modelli teorici.
• Capacità di eseguire simulazioni numeriche.
• Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti nelle aree di interesse della fisica moderna, in particolare quelle relative alla fisica nucleare e più in generale alla fisica moderna

Autonomia di giudizio:

• Capacità di ragionamento critico.
• Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
• Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
• Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.
• Capacità di valutare il corretto utilizzo degli strumenti, la loro risposta, la calibrazione e gli errori di misura

Abilità comunicative:

• Buone competenze informatiche.
• Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
• Capacità di descrivere in forma scritta, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, con particolare riferimento agli esperimenti effettuati in laboratorio.

• Il corso include lezioni ed esercitazioni svolte in Aula e cicli di esercitazioni pratiche in Laboratorio.
• Durante le lezioni in Aula vengono presentati gli argomenti teorici del programma necessari per la comprensione degli esperimenti di laboratorio e oggetto della prova orale. Vengono inoltre illustrati i principi di funzionamento della strumentazione, nonché lo scopo e le modalità di svolgimento degli esperimenti . Specifico risalto è dato alla analisi e presentazione dei dati sperimentali che saranno prodotti in Laboratorio.
• Durante il corso verranno inoltre svolte delle esercitazioni pratiche sull’utilizzo della strumentazione di base ed esercitazioni al pc sull’utilizzo del software di analisi ROOT per l’analisi dei dati
• Durante i cicli di esercitazioni pratiche in Laboratorio gli studenti svolgono praticamente gli esperimenti e eseguono effettivamente le misure, precedentemente introdotte in Aula.
• 6 CFU (corrispondenti a 7 ore ciascuno) sono dedicati a lezioni ed esercitazioni in Aula, per un totale di 42 ore, e 3 CFU (corrispondenti a 15 ore ciascuno) sono dedicati a esercitazioni in Laboratorio, per un totale di 45 ore. Il corso, di 9 CFU, comprende quindi complessivamente 87 ore di attività didattiche.

• È indispensabile avere acquisito conoscenze di base della teoria degli errori e dei metodi di analisi dei dati.
• Sono importanti conoscenze di base di analisi matematica, meccanica, elettromagnetismo, fisica moderna, struttura della materia e fisica nucleare.
• È utile, e quindi fortemente consigliato, avere superato gli esami di tutti i corsi di Fisica Generale.

Obbligatoria

Dipartimento di Fisica e Astronomia E.Majorana, Università di Catania

Laurea triennale in Fisica

Programma di Laboratorio di Fisica 3 (9 CFU)

Anno Accademico 2019/2020

Proff. F.Riggi, P.La Rocca

Parte I

1. Tecniche e strumenti di laboratorio

Funzionamento e utilizzo di sensori per la misura di grandezze fisiche – Sensori analogici e digitali – Acquisizione dati da sensori - Data logger – Utilizzo di sistemi tradizionali e di microprocessori a basso costo – Il sistema Arduino e sue applicazioni - Multimetri digitali e oscilloscopi analogici e digitali – Elementi base di tecnica del vuoto – Attrezzature per la produzione del vuoto: principali tipi di pompe da vuoto – Strumenti per la misura del vuoto – Misura di radiazioni dall’infrarosso all’ultravioletto – Fibre ottiche e trasporto della luce - Spettrofotometri digitali – Proprietà e utilizzo di sorgenti radioattive alfa, beta e gamma.

2. Rivelatori di radiazione

Interazione di particelle cariche pesanti con la materia – Relazione di Bethe-Bloch – Range – Straggling – Perdita di energia di elettroni e positroni – Radiazione di frenamento - Radiazione Cherenkov - Interazione dei fotoni con la materia – Effetto fotoelettrico, effetto Compton e produzione di coppie – Sciami elettromagnetici – Sviluppo longitudinale e trasversale di uno sciame elettromagnetico – I rivelatori di particelle nella fisica moderna - Classificazione dei rivelatori di particelle – Misura dell’energia, dell’impulso, della posizione, della massa e della carica delle particelle subatomiche – Proprietà generali di un rivelatore: sensibilità, risoluzione, efficienza, tempo morto - Rivelatori a gas – Camere a ionizzazione – Contatori Geiger – Rivelatori a semiconduttore – Rivelatori a strip, a drift e a pixel di silicio – Il danneggiamento da radiazione – Rivelatori a scintillazione - Scintillatori organici e inorganici – Risposta in luce – Fotomoltiplicatori – Guide di luce e fibre WLS – Fotodiodi a valanga e silicon photomultiplier.

3. Elementi di elettronica

Segnali impulsivi dai rivelatori – Segnali analogici e digitali – Standardizzazione dei segnali – Propagazione e trasporto dei segnali – Cavi coassiali e loro caratteristiche – Generatori di segnali - Alimentatori – Modulistica elettronica per la fisica nucleare – Lo standard NIM - Elementi base di elettronica lineare: preamplificatori, amplificatori, shaper – Elementi base di elettronica digitale – Combinazioni logiche di segnali: OR, AND, NOT – Convertitori analogico-digitale (ADC, QDC, TDC) – Discriminatori – Circuiti di coincidenza – Scale di conteggio - Sistemi di trigger – Cenni sui sistemi di acquisizione dati – Il software per l’acquisizione e la gestione dei dati.

4. Analisi dei dati e tecniche di simulazione

Richiami di statistica elementare - Indici per il valore centrale e indici di dispersione – Distribuzioni sperimentali – Distribuzione di Gauss – Distribuzione di Poisson – Errori sperimentali e loro trattamento - Test di significatività – Tecniche di analisi dati in fisica nucleare – Analisi di uno spettro a più componenti – Sottrazione del fondo – Fit non lineari – Uso di programmi di analisi dati multiparametrici - Simulazione di processi fisici – Tecniche Monte Carlo – Utilizzo del software ROOT per la simulazione e per l’analisi dei dati sperimentali - Cenno sui programmi di simulazione GEANT per i rivelatori di particelle.

Parte II: Esercitazioni ed esperimenti di laboratorio

• Esercitazioni sull’utilizzo di Arduino
• Esercitazioni sull’utilizzo della strumentazione (moduli elettronici,..)
• Esercitazioni al pc sull’utilizzo del software ROOT
• Esperienze di laboratorio (sorteggiabili ai fini della tesina)

1. Caratterizzazione di sorgenti di luce variabili nel tempo con sensori di intensità luminosa
2. Studio dell’effetto fotoelettrico e misura della costante di Planck
3. Studio di spettri continui e a righe mediante uno spettrofotometro digitale
4. Rivelazione di elettroni mediante contatore Geiger e misura del coefficiente di assorbimento
5. Misura di spettri gamma mediante scintillatori a Ioduro di Sodio
6. Misura del coefficiente di assorbimento dei gamma nei materiali
7. Misura di spettri alfa mediante rivelatori al silicio e studio della perdita di energia
8. Misura dello spettro energetico di una sorgente beta

BIBLIOGRAFIA

Per gli argomenti riguardanti l’interazione della radiazione con la materia, i rivelatori di particelle e i fondamenti di elettronica, uno dei testi seguenti:

- William R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag

- Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Sons

- Claude Leroy and Pier-Giorgio Rancoita, Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection, World Scientific

- C.Grupen, B.Shwartz, Particle Detectors, Cambridge

Per argomenti di statistica e analisi dei dati:

- J.R.Taylor, Introduzione all’analisi degli errori, Zanichelli

Testi, articoli o manuali su altri argomenti specifici saranno indicati all’interno del corso o sono disponibili sul sito Web.

Modalità esame:

Durante il corso verranno svolte delle esercitazioni in aula a seguito delle quali verrà richiesto agli studenti di produrre un breve elaborato riportante la soluzione dell’esercitazione da consegnare ai docenti. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame è la partecipazione (con relativa consegna delle risposte scritte) alle esercitazioni e ai turni di laboratorio, oltre che la frequenza alle lezioni. Verrà fatta eccezione per gli studenti lavoratori, per i quali saranno valutate tempistiche più flessibili.

Alla fine del corso per ciascun studente sarà sorteggiato uno degli esperimenti effettuati durante l’attività in laboratorio, su cui lo studente dovrà preparare e consegnare, prima dell’esame, una relazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti del corso.

Sito Web, nel quale è possibile reperire il programma del corso, le presentazioni didattiche, le note di laboratorio, i manuali d’uso delle attrezzature, …, nonché le informazioni relative ai turni di laboratorio, date di esame,…: www.lab3ct.altervista.org

Per gli argomenti riguardanti l’interazione della radiazione con la materia, i rivelatori di particelle e i fondamenti di elettronica, uno dei testi seguenti:

- William R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag

- Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Sons

- Claude Leroy and Pier-Giorgio Rancoita, Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection, World Scientific

Testi, articoli o manuali su altri argomenti specifici saranno indicati all’interno del corso o sono disponibili sul sito Web.

Modalità di verifica:

Durante il corso verranno svolte delle esercitazioni in aula a seguito delle quali verrà richiesto agli studenti di produrre un breve elaborato riportante la soluzione dell’esercitazione da consegnare ai docenti. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame è la partecipazione (con relativa consegna delle risposte scritte) alle esercitazioni e ai turni di laboratorio, oltre che la frequenza alle lezioni. Verrà fatta eccezione per gli studenti lavoratori, per i quali saranno valutate tempistiche più flessibili.

Alla fine del corso per ciascun studente sarà sorteggiato uno degli esperimenti effettuati durante l’attività in laboratorio, su cui lo studente dovrà preparare e consegnare, prima dell’esame, una relazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti del corso.

Interazione delle particelle cariche e perdita di energia - Processi di interazione dei gamma - Funzionamento dei rivelatori a gas - Rivelatori basti sulla scintillazione - Proprietà degli scintillatori - Risoluzione energetica di un rivelatore - Risoluzione temporale di un rivelatore - Valutazione dell'accettanza geometrica di un rivelatore - Calibrazione di un rivelatore - Convertitori analogico-digitali - Discriminatori e loro funzione - Circuiti di coincidenza e valutazione delle coincidenze spurie