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, cosi come previsto nel Regolamento Didattico del Corso di Studi.

La frequenza risulta particolarmente utile anche in considerazione del carattere multidisciplinare e innovativo del corso, i cui argomenti non sono contenuti escusivamente in un singolo libro di testo. 

Macchine Acceleratrici :
Principi di funzionamento degli acceleratori elettrostatici.

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

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

Acceleratori circolari: il ciclotrone, sincrotone, bending magnets, ondulators, wigglers, 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 (in base alla disponibilità dell'acceleratore): 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, reperibili sulla piattaforma STUDIUM

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.

Sarà possibile concordare con il docente ulteriori date di esame, successive alla data di appello per il  quale lo studente ha effettuato la prenotazione sul portale SmartEdu.  

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 proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Ciclotrone e i suoi principali utilizzi

Il Sincrotone ed esempi di utilizzo

Production and use of neutron beams

Materials analysis techniques using ion beams

Use of accelerators in medicine

Energy production via fission processes

Energy production via fusion processes