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    Luigi MORETTI

    Insegnamento di SISTEMI DI RIVELAZIONE

    Corso di laurea in FISICA

    SSD: FIS/07

    CFU: 5,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 48,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Introduzione ai sistemi di rivelazione
    Rivelatori a gas
    Interazione della radiazione con la materia
    Rivelatori a scintillazione
    Rivelatori a semiconduttore
    Rivelatori per dosimetria
    Fondo Ambientale
    Elettronica per la Fisica Nucleare

    Obiettivi formativi

    Il corso mira a sviluppare le competenze nel campo dell'elettronica e dei sistemi di rivelazione di onde e particelle. Sono previste esercitazioni di laboratorio sia per il montaggio e la caratterizzazione di circuiti elettronici per l'elaborazione di un segnale elettronico che nell'utilizzo di apparati sperimentali oer la rivelazione di particelle. Una considerevole attenzione è redazione e discussione di relazioni scritte e presentazioni multimediali e alla capacità di lavoro di gruppo.

    Prerequisiti

    Prerequisiti per seguire il corso con profitto sono:
    - una buona conoscenza dell'elettromagnetismo
    - conoscenze di base di metodi statistici per l'analisi dati

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali: 48 ore Laboratorio: 75 ore
    La frequenza del corso è obbligatoria. Gli esperimenti relativi sui rivelatori deve essere documentato da relazioni scritte

    Metodi di valutazione

    La valutazione si basa su un esame orale e le relazioni di laboratorio. L'esame orale consiste in una discussione di una relazione relativa ad un esperimento e un colloquio di circa 60 minuti che potrà riguardare tutti gli argomenti trattati a lezione.

    Programma del corso

    Introduzione ai sistemi di rivelazione
    - Classificazione dei Rivelatori
    - Catena di lettura (read-out) di un rivelatore
    - Caratteristiche Generali di un rivelatore:
    Sensibilità, Risoluzione e Fattore di Fano, Risposta e Funzione di Risposta, Tempo di Risposta e Tempo Morto, Efficienza
    Rivelatori a gas
    - Camera a ionizzazione: descrizione apparato, regime di funzionamento, circuito equivalente e formazione del segnale, griglia di Frisch e anelli di guardia, ampiezza dei segnali, campo trasverso e campo assiale, Camera a ionizzazione dell’apparato GASTLY e circuito di polarizzazione
    - Contatore proporzionale: descrizione apparato, regime di funzionamento, formazione della valanga e coefficiente di Townsend, formazione del segnale
    - Camere a fili: MWPC, metodi di lettura della posizione, varie configurazioni
    - Contatore Geiger-Muller: descrizione apparato, regime di funzionamento, formazione della scarica, catena di lettura, efficienza
    Interazione della radiazione con la materia
    - Sezione d’urto, probabilità di interazione e libero cammino medio
    - Perdita di energia per particelle cariche pesanti: modello di Bohr, formula di Bethe-Bloch e sue correzioni, scaling, range, channelling e radiazione Cherenkov
    - Perdita di energia per elettroni e positroni: formula di Bethe-Bloch corretta, Bremsstrahlung, energia critica
    - Interazione dei fotoni: effetto fotoelettrico, diffusione Compton, produzione di coppie, sezione d’urto totale di assorbimento
    Rivelatori a scintillazione
    - Scintillatori organici e inorganici: principi di funzionamento, fluorescenza e fosforescenza, confronto tra le caratteristiche di vari scintillatori, modelli per la formazione del segnale, pulse shape analysis, identificazione di particelle
    - Fotomoltiplicatori: fotocatodo, dinodi e partitore di tensione in varie configurazioni, effetto del campo magnetico, corrente di buio
    - Angolo di Brewster e guide di luce
    - Spettro atteso di fotoni per scintillatori di piccole, medie e grandi dimensioni
    - Esempi di spettri reali per diversi scintillatori
    Rivelatori a semiconduttore
    - Principi generali di funzionamento: banda di conduzione e di valenza, drogaggio di tipo n e p, regione di svuotamento, campo elettrico e potenziale alla giunzione, formazione del segnale
    - Rivelatori al Silicio: rivelatori a giunzione diffusa, rivelatori a barriera superficiale, impiantazione ionica, rivelatori completamente depleti, corrente inversa di perdita, rumore e risoluzione energetica, tensione di polarizzazione, tempo di salita dei segnali, finestra d’ingresso e strati morti, danneggiamento da radiazioni, calibrazione in energia
    - Rivelatori al Germanio: differenze tra Ge(Li) e HPGe, configurazione planare, configurazione coassiale closed-end e true per rivelatori di tipo p e n, raffreddamento, differenza tra spettri di un Ge(Li) e di uno NaI, curva di efficienza di picco
    Rivelatori per dosimetria
    - Dosimetri a film sottile: supporto e emulsione con AgBr, sviluppo e fissaggio della pellicola, descrizione di un densitometro, incertezze sulla misura, tipi di radiazione misurati, fading
    - Dosimetri a termoluminescenza: fosfori, modello a bande per la termoluminescenza, curva di luminescenza, descrizione di un sistema di misura della termoluminescenza, lettura e azzeramento del dosimetro
    Fondo Ambientale
    - Radioattività naturale, 40K e serie del Torio e serie dell’Uranio, Fallout di radionuclidi, Radon e Thoron gas radioattivi, attività naturale in materiali comuni
    - Raggi cosmici
    - Spettri di fondo e loro varie componenti, sottrazione del fondo da uno spettro e da un picco
    Elettronica per la Fisica Nucleare
    - Catena elettronica di lettura di un rivelatore
    - Caratteristiche generali di un impulso: Ampiezza, larghezza, tempi di salita e discesa, tempo di ritardo, overshoot e undershoot, segnali unipolari e bipolari, analogici e digitali
    - Standards per segnali logici: NIM, TTL, ECL
    - Caratteristiche di un Crate NIM
    - Cavi coassiali e flat, connettori BNC, LEMO e SHV
    - Preamplificatore: descrizione, ingressi e uscite, caratteristiche, rumore, segnali di uscita, tempi di salita, schema circuitale
    - Amplificatore di spettroscopia: descrizione, ingressi e uscite, caratteristiche, guadagno, shaping time, Pole-zero, Pile-up rejection, forma dei segnali, esempi di utilizzo
    - ADC di picco: descrizione, ingressi e uscite, segnali di Gate e Busy, range di conversione e soglia, funzione di auto-gate e gate esterno, Pile-up rejection, velocità di trasferimento dati
    - ADC a campionamento: descrizione, ingressi e uscite, velocità di campionamento, funzione di auto-trigger, soppressione degli zeri, misure in coincidenza, metodi di comunicazione e trasferimento dati
    - Caratteristiche di un Crate VME
    - Discriminatore a Frazione Costante: descrizione, ingressi e uscite, principio di funzionamento, aggiustamento automatico del walk, delay interno o esterno, Inhibit , OR, Sum
    - Single Channel Analyser: descrizione, ingressi e uscite, range dinamico e soglie
    - Alimentatore, oscilloscopio e impulsatore: descrizione, cenni e richiami sul loro funzionamento

    Esperienze di laboratorio
    - Studio della perdita di energia in un rivelatore a due stadi, costituito da una camera a ionizzazione seguita da un rivelatore al Silicio, utilizzando alcune routine del programma LISE++.
    - Studio dello spettro energetico di particelle alfa provenienti da una sorgente di calibrazione, con l’uso di un rivelatore al Silicio. Studio della variazione delle caratteristiche dei segnali e della risoluzione al variare della tensione di polarizzazione.
    - Studio dello spettro energetico di fotoni con un rivelatore al Germanio (HPGe). Calibrazione con una sorgente e misura di uno spettro del fondo ambientale con individuazione di alcuni degli isotopi radioattivi presenti.
    - Studio del rateo di conteggi di una sorgente gamma, misurato con una fibra scintillante letta tramite SiPM (fotomoltiplicatori al Silicio). Misura della sua variazione in funzione della distanza tra sorgente e rivelatore e della superficie sensibile esposta. Valutazione e sottrazione del fondo ambientale e acquisizione degli spettri energetici dei segnali prodotti.
    - Preparazione e presentazione di un seminario di 30 minuti su un argomento trattato durante il corso, con approfondimenti e ricerche su internet. (Opzionale)

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    Teaching language

    Italian

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