LABORATORIO DI FISICA III 2

Modulo ESERCITAZIONI

 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 interazionedella radiazione con la materia, dei rivelatori di particelle, del trattamento dei segnali e dell’elettronicaassociata, 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 adoperatain 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 dagliesperimenti.
• 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 metodologieutilizzate, 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 competenzetrasversali:

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 strumentazionescientifica 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 utilizzarestrumentazione 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 rigoreil 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 areedi interesse della fisica moderna, in particolare quelle relative alla fisica nucleare e più in generale allafisica moderna.

Autonomia di giudizio:

• Capacità di ragionamento critico.
• Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i datisperimentali.
• 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 eselettività 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 argomentoscientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
• Capacità di descrivere in forma scritta, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomentoscientifico, con particolare riferimento agli esperimenti effettuati in laboratorio.

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 lacomprensione degli esperimenti di laboratorio e oggetto della prova orale. Vengono inoltre illustrati iprincipi di funzionamento della strumentazione, nonché lo scopo e le modalità di svolgimento degliesperimenti . Specifico risalto èdato alla analisi e presentazione dei dati sperimentali che sarannoprodotti in Laboratorio.

Durante il corso verranno inoltre svolte delle esercitazioni pratiche sull’utilizzo della strumentazione dibase 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 esperimentied 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 di42 ore, e 3 CFU (corrispondenti a 15 ore ciascuno) sono dedicati a esercitazioni in Laboratorio, per untotale 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 lenecessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programmaprevisto e riportato nel syllabus.

È indispensabile avere acquisito conoscenze di base di fisica generale, fisica moderna, di analisimatematica, di teoria degli errori e di metodi di analisi dei dati. Pertanto, secondo il regolamentodidattico, sono propedeutiche all'esame le seguenti materie: Analisi Matematica I, Fisica Generale I eII, Laboratorio di Fisica I e II.

Sono inoltre utili conoscenze di base di struttura della materia e fisica nucleare.

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 lenecessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto eriportato nel syllabus.

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 ditecnica del vuoto – Attrezzature per la produzione del vuoto: principali tipi di pompe da vuoto – Strumenti per lamisura 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 deifotoni 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 fisicamoderna - Classificazione dei rivelatori di particelle – Misura dell’energia, dell’impulso, della posizione, dellamassa 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 asemiconduttore – Rivelatori a strip, a drift e a pixel di silicio – Il danneggiamento da radiazione – Rivelatori ascintillazione - Scintillatori organici e inorganici – Risposta in luce – Fotomoltiplicatori – Guide di luce e fibreWLS – Fotodiodi a valanga e silicon photomultiplier.

3. Elementi di elettronica

Segnali impulsivi dai rivelatori – Segnali analogici e digitali – Standardizzazione dei segnali – Propagazione etrasporto dei segnali – Cavi coassiali e loro caratteristiche – Generatori di segnali - Alimentatori – Modulisticaelettronica 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 disignificatività – Tecniche di analisi dati in fisica nucleare – Analisi di uno spettro a più componenti – Sottrazionedel 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 
9. Interferometro di Michelson 
10. Caratterizzazione di SiPM

Per gli argomenti riguardanti l’interazione della radiazione con la materia, i rivelatori di particelle e i fondamentidi 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, WorldScientific

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

Durante il corso verranno svolte delle esercitazioni in aula a seguito delle quali verrà richiesto agli studenti diprodurre un breve elaborato riportante la soluzione dell’esercitazione da consegnare al docente prima dellaconclusione delle lezioni. Condizione necessaria per poter svolgere l’esame orale è la partecipazione (conrelativa consegna delle risposte scritte) alle esercitazioni e ai turni di laboratorio, oltre che la frequenza allelezioni. Verrà fatta eccezione per gli studenti lavoratori, per i quali saranno valutate tempistiche piùflessibili. Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: a garanzia di pari opportunità e nel rispetto delleleggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmareeventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E'possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Serviziper le Disabilità e/o i DSA) del nostro Dipartimento, Prof. Catia Petta.

Alla fine del corso per ciascun studente sarà sorteggiato uno degli esperimenti effettuati durante l’attività inlaboratorio, su cui lo studente dovrà preparare e consegnare, una settimana prima dell’esame orale, unarelazione scritta. L’esame orale avrà come oggetto il contenuto della relazione, nonché gli altri argomenti delcorso.

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 lodovessero richiedere.

Come previsto dal Regolamento Didattico, ai fini dell'esame è obbligatorio aver superato le seguenti materie:Analisi Matematica I, Fisica Generale I e II, Laboratorio di Fisica I e II.

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 - Funzionamentodei rivelatori a gas - Rivelatori basti sulla scintillazione - Proprietà degli scintillatori - Risoluzione energetica diun 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 dicoincidenza e valutazione delle coincidenze spurie - Esempi di simulazione Monte Carlo.