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 applicare conoscenza:
Autonomia di giudizio:
Abilità comunicative:
Obbligatoria.
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
Dipartimento di Fisica e Astronomia E.Majorana, Università di Catania
Laurea triennale in Fisica
Programma di Laboratorio di Fisica 3 (9 CFU)
Anno Accademico 2020/2021
Proff. F.Riggi, P.La Rocca
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
BIBLIOGRAFIA
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
- C.Grupen, B.Schwartz, Particle Detectors, Cambridge
Per argomenti di statistica e analisi dei dati:
- J.R.Taylor, Introduzione all’analisi degli errori, Zanichelli
Testi, articoli o manuali su altri argomenti specifici saranno indicati all’interno del corso o sono disponibili sul sito Web.
Modalità esame:
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 ai docenti. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame 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, prima dell’esame, una relazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti del corso.
Sito Web, nel quale è possibile reperire il programma del corso, le presentazioni didattiche, le note di laboratorio, i manuali d’uso delle attrezzature, …, nonché le informazioni relative ai turni di laboratorio, date di esame,…: www.lab3ct.altervista.org
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.Schwartz, Particle Detectors, Cambridge
Testi, articoli o manuali su altri argomenti specifici saranno indicati all’interno del corso o sono disponibili sul sito Web.
Tutto il materiale didattico si trova al sito web:
lab3ct.altervista.org
Argomenti | Riferimenti testi | |
1 | Tecniche e strumenti di laboratorio | 1 |
2 | Rivelatori di radiazione | 1,2,4 |
3 | Elementi di elettronica | 1,2 |
4 | Analisi dei dati e tecniche di simulazione | 1,2 |
Modalità di verifica:
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 ai docenti. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame 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, prima dell’esame, una relazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti del corso.
La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
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 -