FISICA SPERIMENTALE CON MACCHINE ACCELERATRICI

Il corso si propone di fornire allo studente gli elementi di base, l’utilizzo e le possibili applicazioni della fisica sperimentale esplorata tramite l’uso di macchine acceleratrici. Verranno illustrati i principi di funzionamento delle principali macchine acceleratrici di particelle e il loro utilizzo nella ricerca applicata alla scienza dei materiali, alla fisica nucleare e subnucleare, alla tutela dei beni culturali, alla medicina. 

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding).

Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca sperimentale in Fisica.
 Durante il corso lo studente comprenderà i principali concetti alla base della fisica sperimentale condotta con l’utilizzo di macchine acceleratrici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Capacità di identificare gli elementi essenziali di una indagine sperimentale condotta al fine di ottenere informazioni sulla struttura dei materiali, sulla struttura e interazione  nucleare o subnucleare e sulle applicazioni in campo medico, biofisico, e applicativo. Capacità di stimare ordini di grandezza e principali tecniche sperimentali utilizzate. Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving).

 Autonomia di giudizio (making judgements)

 Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di autonomia di giudizio e responsabilità attraverso la comprensione di indagini sperimentali volte allo studio di fenomeni fisici che coinvolgono diversi settori della fisica. Sviluppo del senso di responsabilità attraverso la scelta dei corsi opzionali e dell'argomento della tesi di laurea e possibilità di orientamento sui diversi curricula del percorso di laurea magistrale.

Abilità comunicative (communication skills)

Capacità di comunicare su temi di ricerca e procedure sperimentali in diversi settori avanzati della fisica sperimentale.

Capacità di apprendimento (learning skills)

Capacità di acquisire strumenti conoscitivi con un’ampia visione generale e nozioni di base su argomenti che verranno affrontati in modo approfondito nei corsi dell’ultimo anno del corso di laurea triennale.

Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca.

Lezioni frontali e teorico-pratiche, con alcuni seminari di approfondimento.
Le lezioni si svolgono nel secondo semestre, per un totale di 6 CFU di lezioni frontali.
Insegnamento cooperativo (studente-docente) tramite condivisione di materiale didattico e supporti multimediali.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA.
A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Fisica.

Conoscenze di base di fisica generale, in particolare moto di cariche in campi elettro-magnetici. Conoscenze generiche sulla struttura dell’atomo, decadimento radioattivo e reazioni nucleari.

La frequenza al corso è fortemente consigliata (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

Macchine Acceleratrici :
Principi di funzionamento degli acceleratori elettrostatici.

Acceleratori elettrostatici: Cockroft-Walton, Van de Graaff, Tandem, impiantatore ionico, singletron

Acceleratori elettrodinamici: principio di funzionamento, campi rotazionali, acceleratori lineari, acc di Wideroe, fasci pulsati, stabilità di fase, cavità risonanti.

Acceleratori circolari: il ciclotrone, sincrotone, anelli di accumulazione, collisore, emittanza di un fascio. Luce di sincrotrone, brillanza, elementi magnetici di un sincrotrone, luminosità, sezione d’urto.

La ricerca applicata alla fisica nucleare: utilizzo di fasci di particelle per lo studio della struttura nucleare, dei meccanismi di reazione tra nuclei interagenti e delle grandezze nucleari coinvolte. Esperimento di Rutherford, sezione d’urto di Rutherford, scoperta del neutrone e esperimento di Chadwick. Massa dei nuclei. Fasci Radioattivi e tecniche di produzione fasti radioattivi.

La ricerca applicata alla scienza dei materiali: utilizzo di fasci di ioni in tecniche RBS, NERDA, NRA, PIXE. Analisi con Fasci Ionici nella Conservazione di Beni Culturali, Ambiente e Industria, impiantazione ionica.

Produzione e utilizzo di fasci di elettroni : crosslinking, sterilizzazione, laccatura, coating, grafting, evaporazione, saldatura, e-beam drilling, modifica dei polimeri, degradazione, produzione biomateriali, trattamento gas di scarico e acque reflue; utilizzo di elettroni in campo medico.

Acceleratori per produzione di fotoni; applicazioni in sicurezza; immagini con raggi X, Scanning 3d, Nucleare Resonance Fluorence; campi di utilizzo della radiazione di sincrotrone.

Acceleratori per la produzione di energia; processo di fissione; reattori nucleari; energia da fusione nucleare; confinamento magnetico e inerziale.

Produzione di neutroni; sorgenti di neutroni, european spallation source; utilizzo di neutroni in campo industriale; produzione di radiofarmaci.

Free Electron Laser e Acceleratori al Plasma.

Esperienza laboratoriale: progettazione e realizzazione di un esperimento da realizzarsi presso l’acceleratore Singletron del DFA su tematiche di interesse attuali.

Slides fornite dal docente

Slides lezioni e articoli divulgativi o accademici, forniti dal docente durante lo svolgimento delle lezioni.

Applications of Particle Accelerators in Europe, The EuCARD-2 Collaboration, CERN-ACC-2020-0008

Per approfondimenti di fisica generale:

R. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Fisica – Vol. I e II , EdiSES - Napoli (Italia)

Per approfondimenti di fisica nucleare di base consultare:

W.S.C. Williams, Nuclear and particle physics, Clarendon Press, Oxford, 1995

La prova d'esame si svolgerà con un colloquio orale sui contenuti del corso.

I criteri per la valutazione: 1) pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate; 2) livello di approfondimento dei contenuti esposti; 3) capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma.

Ciclotrone e i suoi principali utilizzi

Il Sincrotone ed esempi di utilizzo

Produzione di fasci di neutroni e loro utilizzo

Tecniche di analisi dei materiali con fasci ionici

Utilizzo di acceleratori nella medicina

Produzione di nergia da processi di fissione

Produzione energia da processi di fusione