NUCLEAR AND SUBNUCLEAR PHYSICS LABORATORY

Approfondire la conoscenza dello studente delle varie metodologie di rivelazione di particelle e di analisi dati tipicamente utilizzati nell’ambito della fisica nucleare e subnucleare.

Sviluppare la capacità di utilizzare in modo indipendente strumentazione caratteristica della fisica nucleare e subnucleare, per poter poi assemblare e mettere in opera varie esperienze di laboratorio, con relativa acquisizione dei dati e successiva analisi finale dei risultati.

Lezioni frontali di teoria

Sessioni di laboratorio con vari esperimenti

Nozioni di Base di Fisica Generale

Obbligatoria

Richiami alla interazione Radiazione Materia

Particelle cariche leggere e pesanti: perdita specifica d’energia, range, programmi di calcolo. Effetto Cherenkov. Radiazione di Transizione. Fotoni: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. Sciami elettromagnetici. Interazione dei neutroni. Sciami adronici. Programmi di simulazione di perdita di energia.

Richiami alle caratteristiche generali dei rivelatori

Modi operativi. Funzione di risposta e calibrazione. Risoluzione energetica. Risposta e risoluzione temporale. Tempo morto. Efficienze di rivelazione. Misure di attività di sorgenti.

Rivelatori a gas

Richiami ai principi e regimi di funzionamento. Camere a ionizzazione, contatori proporzionali, contatori Geiger. Multi Wire Proportional Chamber. Microstrip Gas Chamber. Camera a deriva. Resistive Plate Chamber. Gas Electron multiplier. Time Projection Chamber. Problematiche dei rivelatori a gas. Camere a ionizzazione con liquidi.

Rivelatori a scintillazione

Scintillatori organici ed inorganici: meccanismi e caratteristiche di emissione. Luce Cherenkov. Raccolta della luce. Fibre scintillanti. Wave Length Shifter. Fotomoltiplicatori, fotodiodi ed altri strumenti per la lettura della luce.

Rivelatori a stato solido

Proprietà dei semiconduttori, drogaggio, giunzione pn. Rivelatori al Silicio. Fotosensori. Rivelatori a deriva di litio. Rivelatori al Germanio, rivelatori segmentati. Rivelatori a deriva. Rivelatori a strip. Rivelatori a pixel. Danni da radiazioni.

Elettronica

Caratteristiche e trasporto dei segnali analogici. Modulistica per il trattamento dei segnali analogici: preamplificatori, amplificatori, discriminatori, convertitori analogico-digitali. Caratteristiche dei segnali logici e loro manipolazione. Modulistica varia per la fisica nucleare. Elettronica integrata. Digitalizzazione e campionamento dei segnali.

Acquisizione dati

Sistemi monoparametrici di acquisizione. Sistemi di Trigger. Sistemi multiparametrici di acquisizione: Camac, VME. Programmi di acquisizione e gestione dei dati on-line. Programmi di analisi dati: PAW, ROOT.

Metodologie di rivelazione ed identificazione

Rivelazione e spettrometria dei fotoni, soppressione compton, correzione doppler. Rivelazione e spettrometria di neutroni lenti e veloci. Identificazione in carica e massa mediante telescopi. Misura del tempo di volo ed identificazione in massa. Discriminazione in forma dei segnali di varie tipologie di rivelatori. Misura dell’impulso ed identificazione mediante deflessione magnetica. Principi di identificazione negli esperimenti di alta energia. Transition Radiation detector. Calorimetri. Programmi Monte Carlo di simulazione dei fenomeni di rivelazione.

Applicazione di tecniche nucleari

Metodologie di analisi con fasci (IBA) e loro caratteristiche generali. Metodologie RBS e PIXE. Esempi di applicazioni ai beni culturali.

Rivelatori di radiazioni usati in ambito medicale. Nuovi materiali scintillatori e a stato solido. Applicazioni a radiografie digitali, Tomografia Computerizzata, Tomografia a singolo e doppio fotone.

Esperienze di laboratorio:

Rivelazione e spettroscopia gamma ad alta risoluzione con verifica emissione di gamma in coincidenza da sorgente, misura della radioattività ambientale e dell’attività di sorgente ignota.

Rivelazione di particelle alfa da sorgente mediante telescopio gas-silicio.

Misura di tempo di volo di particelle alfa con rivelatore al silicio e rivelatore a micro canali.

Rivelazione e discriminazione con analisi in forma di gamma e particelle cariche con scintillatore accoppiato ad un digitalizzatore di segnale.

Esperienza all’acceleratore singletron con fascio di alfa per applicazione di tecniche RBS e PIXE

1) G.F. KNOLL, Radiation detection and Measurement, J.Wiley 1999

2) W.R. LEO, Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer-Verlag 1987-1994

Esperienza di laboratorio con relazione di presentazione dei dati sperimentali.

Esame orale su argomenti del corso.

Interazione Radiazione Materia.

Rivelatori a gas.

Rivelatori a scintillazione.

Rivelatori a stato solido

Elettronica e Acquisizione dati

Metodologie di rivelazione ed identificazione

Applicazione di tecniche nucleari