LABORATORIO DI FISICA III

Anno accademico 2022/2023 - Docente: PAOLA LA ROCCA

Risultati di apprendimento attesi

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 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.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

  • 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 ed 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.
  • Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

  • 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.

Frequenza lezioni

La frequenza del corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento didattico del Corso di Studi).

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Contenuti 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 – 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 (elencate di seguito e sorteggiabili ai fini della tesina)
  1. Esperienze sull'utilizzo di Arduino
  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

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:

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

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

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

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

Per argomenti di statistica e analisi dei dati:

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

Per Arduino:

6.  B.W. Evans, Arduino Programming Notebook, Creative Commons


AutoreTitoloEditoreAnnoISBN
William R. LeoTechniques for Nuclear and Particle Physics ExperimentsSpringer-Verlag1994978-3-642-57920-2
Glenn F. KnollRadiation Detection and Measurement, 4th editionJohn Wiley and Sons2010978-0-470-13148-0
C.Leroy, P.G. RancoitaPrinciples of Radiation Interaction in Matter and Detection, 2nd editionWorld Scientific2009978-981-281-829-4
C.Grupen, B.SchwartzParticle DetectorsCambridge20089781281254405
J.R.TaylorIntroduzione all’analisi degli errori, seconda edizioneZanichelli1999978880817656
 B.W. EvansArduino Programming NotebookCreative Commons2007

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Arduino (~ 5 h)6)
2Sensori (~ 3 h)Slides
3Sorgenti di radiazione (~ 2 h)1) 2) 3) 4)
4Perdita di energia di particelle cariche pesanti (~ 3 h)1) 2) 3) 4)
5Perdita di energia di elettroni (~ 2 h)1) 2) 3) 4)
6Scattering multiplo (~ 0.5 h)1) 2) 3) 4)
7Interazione dei fotoni (~ 2 h)1) 2) 3) 4)
8Sciami elettromagnetici (~ 1 h)1) 2) 3) 4)
9Caratteristiche dei rivelatori (~ 2 h)1) 2) 3) 4)
10Identificazione di particelle (~ 1 h)1) 2) 3) 4)
11Distribuzione di Poisson e applicazioni  (~ 2 h)1) 2) 3) 4) 5)
12Multimetro Digitale (~ 1 h)Slides
13Rivelatori a gas  (~ 3 h)1) 2) 3) 4)
14Rivelatori a scintillazione (~ 3 h)1) 2) 3) 4)
15Fotosensori (~ 2 h)1) 2) 3) 4)
16Spettro gamma (~ 1 h)1) 2) 3) 4)
17Rivelatori a semiconduttore (~ 4 h)1) 2) 3) 4)
18Tecniche da vuoto (~ 2 h)Slides
19Elementi di elettronica (~ 4 h)1) 2) 3) 4)
20Metodi Monte Carlo (~ 2 h)Slides

VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Modalità di verifica dell'apprendimento

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 al docente prima della conclusione delle lezioni. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame orale 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, una settimana prima dell’esame orale, una relazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti del corso.

Per la valutazione finale si terrà conto dei seguenti aspetti:

  • conoscenze e qualità dei contenuti
  • chiarezza espositiva e proprietà di linguaggio
  • pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate
  • capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma
  • capacità di riportare esempi
  • capacità di risolvere semplici esercizi o effettuare delle stime

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi.

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 - Esempi di simulazione Monte Carlo.