LABORATORIO DI FISICA III

Anno accademico 2016/2017 - 3° anno
Docente: Francesco RIGGI
Crediti: 9
SSD: FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 193 di studio individuale, 32 di lezione frontale
Semestre:

Obiettivi formativi

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.


Prerequisiti richiesti

Nozioni base di Fisica Generale e di Laboratorio di Fisica I e II


Frequenza lezioni

obbligatoria


Contenuti del corso

Programma del corso:

Parte I

 

1. Tecniche e strumenti di laboratorio

Funzionamento e utilizzo di sensori per la misura di grandezze fisiche – Sensori analogici e digitali – Sistemi di acquisizione dati da sensori - Utilizzo di multimetri digitali e di 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.

 

2. Rivelatori di radiazione

Interazione di particelle cariche con la materia – Relazione di Bethe-Bloch – Range – Straggling – Perdita di energia di elettroni e positroni – Radiazione Cherenkov - Interazione dei fotoni – Effetto fotoelettrico, effetto Compton e produzione di coppie – Sciami elettromagnetici – 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 photomultipliers.

 

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 – La tecnica del digital pulse processing.

 

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 – Utilizzo del software ROOT - Simulazione di processi fisici – Tecniche Monte Carlo – Cenno sui programmi di simulazione GEANT per i rivelatori di particelle.

Parte II: Esercitazioni ed esperimenti di laboratorio

 

 

1) Caratterizzazione di sorgenti di luce variabili nel tempo con sensori di intensità luminosa

2) Studio delle oscillazioni non lineari di un pendolo semplice

3) Misura della costante di Planck mediante diodi LED

4) Studio di spettri continui e a righe mediante uno spettrofotometro digitale

5) Studio dell’assorbimento luminoso selettivo con spettrofotometro digitale

6) Rivelazione di elettroni mediante contatore Geiger e misura del coefficiente di assorbimento

7) Misura di spettri gamma mediante scintillatori e assorbimento dei gamma nei materiali

8) Misura di spettri alfa mediante rivelatori al silicio e studio della perdita di energia

9) Misure di raggi cosmici mediante un telescopio di scintillatori

10) Misure di correlazione gamma-gamma


Testi di riferimento

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

Per argomenti di statistica e analisi dei dati:

- Louis Lyon, Statistics for nuclear and particle physics, Cambridge University Press

 

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



Programmazione del corso

 *ArgomentiRiferimenti testi
1*Interazione della radiazione con la materia - Rivelatori di particelle  
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

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.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Interazione delle particelle cariche e perdita di energia - Interazione dei gamma - Rivelatori a gas - Rivelatori a scintillazione -