APPLIED PHYSICS LABORATORY

Descrizione del corso

Il corso è concepito come complemento sperimentale ai corsi teorici di Archeometria, Biofisica e Fisica Medica. Il suo obiettivo è sviluppare competenze pratiche nell’utilizzo di tecniche e strumentazioni sperimentali rilevanti per la Fisica Applicata, con particolare attenzione alla progettazione sperimentale, alle procedure di misura, all’acquisizione e all’analisi dei dati, alla valutazione dell’incertezza e all’interpretazione critica dei risultati.

Il corso è articolato in tre moduli da 2 CFU ciascuno: Laboratorio di Archeometria, Laboratorio di Biofisica e Laboratorio di Fisica Medica. Ciascun modulo combina lezioni introduttive con attività pratiche di laboratorio. Il lavoro sperimentale è organizzato intorno a problematiche di interesse sperimentale e integra tecniche complementari, anziché presentarle come esperimenti isolati.

Risultati di apprendimento attesi

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di progettare e pianificare esperimenti finalizzati ad affrontare specifici problemi di Fisica Applicata, selezionare e utilizzare strumentazione sperimentale appropriata, effettuare misure e acquisire dati sperimentali secondo protocolli definiti e analizzare i dati ottenuti.

Gli studenti saranno inoltre in grado di valutare l’incertezza di misura, distinguere gli effetti statistici da quelli sistematici, valutare l’affidabilità e i limiti dei risultati sperimentali, confrontare le misure con modelli teorici o dati di riferimento e integrare le informazioni ottenute mediante tecniche sperimentali complementari. Acquisiranno inoltre la capacità di comunicare procedure e risultati sperimentali utilizzando un’appropriata terminologia scientifica e di lavorare efficacemente in un ambiente sperimentale interdisciplinare.

Il corso si propone di collegare le conoscenze teoriche acquisite nell’ambito dell’Archeometria, della Biofisica e della Fisica Medica alla loro applicazione pratica e strumentale.

Conoscenza e capacità di comprensione

Gli studenti acquisiranno conoscenze pratiche e una comprensione dei principi fisici alla base di alcune tecniche sperimentali selezionate della Fisica Applicata, insieme ai principi di funzionamento e alle principali caratteristiche della relativa strumentazione scientifica.

Particolare attenzione sarà dedicata alle misure ottiche e spettroscopiche, alle tecniche di luminescenza, ai metodi basati sulla fluorescenza, al monitoraggio ambientale e alla dosimetria delle radiazioni. Gli studenti svilupperanno inoltre una comprensione delle procedure di calibrazione, acquisizione dei dati, controllo di qualità, elaborazione dei dati e valutazione dell’incertezza, con particolare attenzione alla relazione tra modelli fisici, grandezze misurabili e osservabili sperimentali.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti saranno in grado di tradurre un problema fisico in un’adeguata strategia sperimentale e di selezionare tecniche di misura appropriate in funzione della grandezza da investigare. Saranno in grado di configurare e utilizzare la strumentazione sperimentale, acquisire ed elaborare dati sperimentali, identificare le principali fonti di incertezza ed errore e valutare la coerenza e l’affidabilità delle misure.

Gli studenti impareranno inoltre a interpretare i risultati sperimentali in relazione a modelli fisici e informazioni di riferimento, a combinare risultati ottenuti mediante tecniche complementari e ad adattare le procedure sperimentali a diversi campioni, condizioni di misura e vincoli sperimentali.

Autonomia di giudizio

Gli studenti svilupperanno la capacità di valutare criticamente le procedure e i risultati sperimentali. Impareranno a distinguere le fluttuazioni statistiche dagli effetti sistematici, a identificare le possibili fonti di errore e di incertezza, a riconoscere risultati anomali o incoerenti e a valutare i limiti e la riproducibilità di una tecnica sperimentale.

Saranno inoltre in grado di confrontare approcci di misura alternativi e di proporre miglioramenti alle procedure sperimentali sulla base delle evidenze fornite dalle misure.

Abilità comunicative

Gli studenti saranno in grado di descrivere in modo chiaro gli apparati sperimentali e le procedure di misura, utilizzare un’appropriata terminologia scientifica e tecnica, presentare i dati sperimentali in forma grafica e tabellare adeguata e riportare le incertezze di misura e i limiti sperimentali.

Produrranno brevi relazioni scientifiche di laboratorio e discuteranno i risultati sperimentali sia individualmente sia all’interno di piccoli gruppi di ricerca.

Capacità di apprendimento

Gli studenti svilupperanno la capacità di acquisire autonomamente nuove competenze sperimentali e tecniche. Impareranno a consultare la letteratura scientifica, la documentazione tecnica e i manuali della strumentazione, a comprendere i principi di funzionamento di apparecchiature sperimentali non familiari, a selezionare appropriate procedure di analisi dei dati e a trasferire metodologie sperimentali tra diversi ambiti della Fisica Applicata.

Modalità di verifica dell’apprendimento

La valutazione si basa sulla partecipazione dello studente alle attività di laboratorio e sulla valutazione del lavoro sperimentale svolto durante il corso.

La valutazione tiene conto della comprensione dei principi sperimentali, del corretto utilizzo della strumentazione e delle procedure, della qualità dell’acquisizione e dell’analisi dei dati, della valutazione delle incertezze e dei limiti sperimentali e della capacità di interpretare e discutere criticamente i risultati sperimentali. Le relazioni di laboratorio e/o le discussioni orali potranno essere utilizzate per valutare la capacità dello studente di comunicare il lavoro sperimentale svolto e i relativi risultati.

Metodologia didattica

L’insegnamento è articolato in tre moduli integrati, che combinano lezioni introduttive e attività pratiche di laboratorio.

Le 7 ore di lezioni introduttive previste per ciascun modulo forniscono i principi fisici, i concetti metodologici e le conoscenze di base sulla strumentazione necessarie per lo svolgimento delle attività sperimentali. Le 15 ore di attività di laboratorio sono basate sull’apprendimento attraverso la pratica (learning by doing), con il coinvolgimento diretto degli studenti nella predisposizione dell’apparato sperimentale, nella calibrazione, nell’esecuzione delle misure, nell’acquisizione dei dati, nella loro elaborazione e interpretazione.

In funzione dell’attività sperimentale, le esercitazioni possono essere svolte individualmente o in piccoli gruppi. Particolare attenzione è dedicata all’utilizzo sicuro e corretto della strumentazione, alla pianificazione degli esperimenti, alla calibrazione, all’analisi dei dati, alla valutazione delle incertezze e all’interpretazione critica dei risultati.

Le specifiche attività sperimentali potranno essere adattate in funzione della strumentazione disponibile nei laboratori di Fisica Applicata e delle attività sperimentali e di ricerca in corso presso il Dipartimento.

Gli studenti devono aver acquisito le conoscenze teoriche di base fornite dai corrispondenti corsi di Archeometria, Biofisica e Fisica Medica.

È inoltre richiesta una conoscenza di base della fisica sperimentale, dell’analisi dei dati, della statistica e della valutazione dell’incertezza di misura.

Contenuti del corso e organizzazione della didattica

Il corso è articolato in tre moduli, ciascuno corrispondente a 2 CFU (22 ore): 7 ore di lezioni introduttive e 15 ore di attività di laboratorio.

Le lezioni introduttive forniscono le conoscenze di base di carattere fisico, metodologico e strumentale necessarie per le successive attività sperimentali. Le attività di laboratorio sono organizzate intorno a tre principali quesiti sperimentali per ciascun modulo e sono progettate per integrare tecniche sperimentali complementari.

Modulo 1 – Laboratorio di Archeometria

Il modulo è dedicato alla caratterizzazione sperimentale e al monitoraggio dei materiali del Patrimonio Culturale, integrando tecniche di caratterizzazione ottica e spettroscopica, tecniche di luminescenza e monitoraggio ambientale.

Lezioni introduttive

1. Caratterizzazione ottica e spettroscopica dei materiali del Patrimonio Culturale

Interazione luce-materia e proprietà ottiche dei materiali del Patrimonio Culturale. Principi della spettrofotometria e della spettro-radiometria, specificazione del colore e misure quantitative del colore. Principi della spettroscopia Raman e della fluorescenza a raggi X (XRF), inclusi la strumentazione, la geometria di misura, la calibrazione, l’acquisizione degli spettri e l’interpretazione dei dati.

2. Luminescenza stimolata in Archeometria

Principi fisici della luminescenza e processi di eccitazione/emissione, meccanismi di intrappolamento e ricombinazione. Termoluminescenza (TL) e luminescenza stimolata otticamente (OSL), segnali di luminescenza e stima della dose. Applicazione della TL/OSL ai materiali archeologici e datazione mediante luminescenza.

3. Monitoraggio del microclima ed effetti ambientali sul Patrimonio Culturale

Parametri ambientali rilevanti per la conservazione del Patrimonio Culturale. Misura dell’illuminamento, della temperatura e dell’umidità relativa, con particolare riferimento ai sensori e ai sistemi di acquisizione dati. Principi del monitoraggio del microclima nei musei e negli edifici storici, camere climatiche e prove ambientali in condizioni controllate. Fluttuazioni ambientali e loro effetti sui materiali del Patrimonio Culturale.

Attività di laboratorio

1. Di che materiale si tratta? – Caratterizzazione ottica e spettroscopica

Caratterizzazione di materiali selezionati del Patrimonio Culturale mediante misure spettrofotometriche e/o spettro-radiometriche. Spettroscopia Raman e fluorescenza a raggi X (XRF). Gli studenti effettueranno la configurazione e la calibrazione della strumentazione, l’acquisizione e l’elaborazione dei dati, l’interpretazione degli spettri e l’identificazione dei materiali, integrando informazioni ottiche, molecolari ed elementari.

2. Quanto è antico e cosa ci può dire la luminescenza? – Luminescenza stimolata

Misure di TL e OSL su materiali idonei. Gli studenti acquisiranno e analizzeranno i segnali di luminescenza, ne studieranno la dipendenza dai parametri sperimentali e metteranno in relazione la risposta misurata con l’esposizione alle radiazioni e la dose assorbita. Applicazione alla datazione mediante luminescenza e alla caratterizzazione e autenticazione dei materiali archeologici.

3. Come viene influenzato dall’ambiente? – Monitoraggio del microclima e caratterizzazione ambientale

Monitoraggio dei parametri ambientali rilevanti per la conservazione dei materiali del Patrimonio Culturale. Gli studenti misureranno l’illuminamento, la temperatura e l’umidità relativa utilizzando sensori e sistemi di acquisizione dati appropriati, ne analizzeranno le variazioni nel tempo e studieranno condizioni ambientali controllate mediante una camera climatica. Particolare attenzione sarà dedicata alla relazione tra condizioni ambientali e conservazione dei materiali.

Modulo 2 – Laboratorio di Biofisica

Il modulo è dedicato allo studio sperimentale dei sistemi biologici mediante tecniche ottiche e basate sulla fluorescenza, con particolare attenzione all’imaging, alle interazioni molecolari e alla dinamica molecolare.

Lezioni introduttive

1. Microscopia confocale e a super-risoluzione

Principi della microscopia ottica e a fluorescenza, formazione dell’immagine e risoluzione spaziale. Sonde fluorescenti e meccanismi di contrasto, strumentazione e componenti ottici. Acquisizione delle immagini e analisi quantitativa di base delle immagini, comprese le principali fonti di rumore e gli artefatti sperimentali. Fotobleaching. Microscopia confocale e a super-risoluzione. Microscopia STED (Stimulated Emission Depletion). Microscopia a scansione delle immagini (Image Scanning Microscopy, ISM).

2. Misura del tempo di vita della fluorescenza e microscopia di imaging del tempo di vita della fluorescenza (FLIM)

Principi dell’emissione di fluorescenza e del tempo di vita della fluorescenza. Misure di fluorescenza risolta nel tempo e microscopia di imaging del tempo di vita della fluorescenza (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM). Analisi mediante diagrammi di fase (phasor analysis) dei dati FLIM. Trasferimento di energia per risonanza di Förster (Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET) come sonda della prossimità e delle interazioni molecolari. Sensibilità della fluorescenza all’ambiente molecolare. Configurazioni sperimentali e interpretazione dei dati.

3. Spettroscopia di correlazione di fluorescenza (FCS) e metodi correlati

Fluttuazioni dell’intensità di fluorescenza e dinamica molecolare. Principi della spettroscopia di correlazione di fluorescenza (Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS), funzioni di autocorrelazione e loro relazione con la concentrazione molecolare e la diffusione. Brightness molecolare. Spettroscopia di correlazione delle immagini (Image Correlation Spectroscopy, ICS). Requisiti sperimentali, acquisizione e analisi dei dati, con applicazioni ai sistemi biologici.

Attività di laboratorio

1. Cosa possiamo osservare in un sistema biologico? – Microscopia confocale e a super-risoluzione

Osservazione sperimentale e caratterizzazione quantitativa di campioni biologici mediante microscopia a fluorescenza. Gli studenti lavoreranno con tecniche di imaging a fluorescenza confocale e a super-risoluzione, ottimizzeranno i parametri di acquisizione, valuteranno la qualità delle immagini e le principali fonti di rumore ed effettueranno analisi quantitative di base delle immagini.

2. Cosa ci può dire la fluorescenza sulle interazioni molecolari? – Microscopia di imaging del tempo di vita della fluorescenza (FLIM)

Studio sperimentale del tempo di vita della fluorescenza e della sua sensibilità all’ambiente molecolare. Acquisizione di dati sul tempo di vita della fluorescenza mediante approcci nel dominio del tempo e nel dominio delle frequenze. Gli studenti acquisiranno e analizzeranno curve di decadimento della fluorescenza e immagini del tempo di vita. L’attività comprende il confronto dei segnali di fluorescenza in diverse condizioni sperimentali e l’interpretazione dei parametri di fluorescenza ottenuti.

3. Come possiamo misurare il movimento e la concentrazione delle molecole? – Spettroscopia di correlazione di fluorescenza (FCS)

Studio sperimentale delle fluttuazioni e della dinamica molecolare mediante FCS. Gli studenti acquisiranno le fluttuazioni dell’intensità di fluorescenza mediante un microscopio confocale, calcoleranno e analizzeranno le funzioni di autocorrelazione e stimeranno la concentrazione molecolare e i parametri di diffusione. Particolare attenzione sarà dedicata alla dipendenza delle misure dalle condizioni sperimentali e all’interpretazione della dinamica molecolare nei sistemi biologici.

Modulo 3 – Laboratorio di Fisica Medica

Lezioni introduttive

Dosimetria delle radiazioni e rivelatori dosimetrici

Dosimetria passiva mediante dosimetri a termoluminescenza (TLD), pellicole radiocromiche e gel dosimetrici. Relazioni dose-risposta e protocolli sperimentali per misure quantitative. Introduzione alla cinetica della termoluminescenza, inclusi i modelli cinetici del primo ordine, del secondo ordine e di ordine generale, e agli approcci computazionali per l’analisi e la deconvoluzione delle curve di emissione.

Pianificazione dei trattamenti radioterapici e sistemi di pianificazione del trattamento

Principi della pianificazione dei trattamenti radioterapici e del calcolo della dose. Geometria del trattamento, campi di radiazione e distribuzioni di dose. Introduzione ai sistemi di pianificazione del trattamento (Treatment Planning Systems, TPS) e agli approcci computazionali per la simulazione dei piani di trattamento. Principi di base della valutazione dei piani di trattamento e dell’analisi delle distribuzioni di dose. Introduzione alla piattaforma MatRad per la pianificazione dei trattamenti e la ricerca, inclusi il calcolo della dose, l’ottimizzazione del piano e la visualizzazione delle distribuzioni di dose simulate. Principi di caratterizzazione dei fasci di fotoni ed elettroni. Parametri dosimetrici di base per la caratterizzazione dei campi di radiazione, tra cui simmetria, planarità (flatness) e penombra.

Attività di laboratorio

1. Caratterizzazione sperimentale di diversi TLD e OSLD

Gli studenti seguiranno protocolli sperimentali per l’irradiazione e la lettura di TLD/OSLD, costruiranno curve di calibrazione per i diversi materiali dosimetrici e ne confronteranno le caratteristiche di risposta alla dose. L’attività comprenderà un approccio computazionale per la determinazione dei principali parametri cinetici. Saranno analizzati modelli cinetici del primo ordine, del secondo ordine e di ordine generale.

2. Caratterizzazione sperimentale di diverse pellicole Gafchromic e costruzione di curve di calibrazione specifiche per le pellicole

Gli studenti studieranno la risposta delle pellicole utilizzando metodi di scansione sia in trasmissione sia in riflessione e differenti protocolli di scansione per la lettura. Le pellicole irradiate saranno utilizzate per la caratterizzazione dei campi di radiazione fotonica ed elettronica. Gli studenti acquisiranno e analizzeranno i profili di dose e determineranno i principali parametri del fascio (ad esempio, simmetria, planarità e penombra).

3. Introduzione all’analisi sperimentale dei dati per la dosimetria tridimensionale mediante gel dosimetrici

Gli studenti analizzeranno dati sperimentali di dosimetria mediante gel e studieranno metodi per la ricostruzione, la visualizzazione e l’analisi quantitativa delle distribuzioni di dose. L’attività riguarderà l’elaborazione dei dati, l’estrazione dei principali parametri dosimetrici, il confronto con distribuzioni di dose di riferimento e le principali fonti di incertezza e limitazioni associate alla dosimetria mediante gel.

4. Introduzione alla pianificazione computazionale dei trattamenti mediante la piattaforma open-source MatRad per la ricerca e la pianificazione dei trattamenti

Gli studenti simuleranno piani di trattamento radioterapico semplificati, definiranno le geometrie di trattamento e i parametri dei fasci, calcoleranno le distribuzioni di dose e visualizzeranno le mappe di dose risultanti. L’attività comprenderà l’analisi di base e il confronto delle distribuzioni di dose simulate e introdurrà i concetti fondamentali della valutazione dei piani di trattamento e dell’ottimizzazione della dose.

Materiale bibliografico consigliato

Il materiale di riferimento comprenderà le dispense delle lezioni e i protocolli di laboratorio forniti dai docenti, una selezione di articoli scientifici e documentazione tecnica pertinenti alle attività sperimentali, i manuali degli strumenti e la relativa documentazione tecnica, nonché una selezione di testi di riferimento associati ai corrispondenti corsi teorici.

I riferimenti bibliografici specifici potranno essere aggiornati in funzione delle tecniche sperimentali e della strumentazione utilizzate durante il corso.

Modalità di verifica dell’apprendimento
La valutazione si basa sulla partecipazione dello studente alle attività di laboratorio e sulla valutazione del lavoro sperimentale svolto durante il corso.
La valutazione tiene conto della comprensione dei principi sperimentali, del corretto utilizzo della strumentazione e delle procedure, della qualità dell’acquisizione e dell’analisi dei dati, della valutazione delle incertezze e dei limiti sperimentali e della capacità di interpretare e discutere criticamente i risultati sperimentali. Le relazioni di laboratorio e/o le discussioni orali potranno essere utilizzate per valutare la capacità dello studente di comunicare il lavoro sperimentale svolto e i relativi risultati.