C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD. Nicolò Bragagnolo Michela De Col Gabriele Titta

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B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI

RUTHERFORD

Nicolò Bragagnolo Michela De Col

Gabriele Titta

C) INFORMATICA e FISICA

SPERIMENTALE

Marco Sadocco Andrea Morelli

Giulia Pretto

Stage 2017 - INFN di Legnaro 1

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INDICE

Particelle α e rivelatori

Interazione α-materia

L’esperimento di Rutherford

La catena elettronica

Il sistema di acquisizione dati

I software di analisi e

rappresentazione dei dati

Conclusioni

(3)

3

Particelle α e rivelatori

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Decadimento Radioattivo

Con il decadimento nuclei instabili raggiungono livelli di energia inferiori, acquisendo una maggiore stabilità.

Le particelle α (nuclei di 42𝐻𝑒) provengono, nel nostro esperimento, dal decadimento di una sorgente di Americio (24195𝐴𝑚_).

PARTICELLE α

Dove X e Y rappresentano rispettivamente l’elemento chimico genitore e figlio

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Sorgente di Americio utilizzata prevalentemente per l’esperimento

𝟐𝟒𝟏𝟗𝟓𝑨𝒎

• A(0) = 3 kBq, in data 5/07/1995

• A = 2,9 kBq, in data 21/06/2017

ATTIVITA’ SORGENTE DI Am

Attività calcolata tramite la formula

Dove 𝑇1/2corrisponde al tempo di dimezzamento

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ATTIVITA’ SORGENTI CALIBRAZIONE

Attività 𝐴₀(in data 21/02/2002) A ₍in data 22/06/2016)

24195𝐴𝑚 1,5 kBq 1,46 kBq

24496𝐶𝑚 1,5 kBq 0,83 kBq

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I rivelatori hanno lo scopo di raccogliere le particelle provenienti dalla sorgente, dopo essersi scontrate con il bersaglio, ed inviare dei segnali agli apparati elettronici in modo da ottenere uno spettro con i dati che vogliamo analizzare.

RIVELATORI

Euclides

Spider

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Il silicio viene sottoposto ad un trattamento di drogaggio che permette la formazione delle coppie elettrone-lacuna.

RIVELATORI AL SILICIO

Grafico relativo alla risoluzione del rivelatore utilizzato, calcolata sul picco di Americio: 24 keV

Esempi di rivelatori utilizzati nel nostro esperimento

• Differenza di potenziale applicata: 40 V

• Area attiva: 0,28 cm²

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9

Interazione α - materia

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Questo esperimento è stato eseguito in una camera di reazione con tre sorgenti α usate separatamente e con un rivelatore allo stato solido a semiconduttore di silicio.

Stage 2017 - INFN di Legnaro

10

ESPERIMENTO INTERAZIONE

α

_-MATERIA

Sorgente

Rivelatore

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Le sorgenti impiegate sono tre:

• una sorgente n.83 di ²⁴¹⁹⁵𝐴𝑚 e ²⁴⁴⁹⁶𝐶𝑚

• una sorgente sconosciuta n.24

• una sorgente sconosciuta n. 86

Si è scoperto che la sorgente n.24 consiste in 3 radionuclidi, ovvero Americio

24195𝐴𝑚, Curio ²⁴⁴⁹⁶𝐶𝑚 e Plutonio ²³⁹⁹⁴𝑃𝑢; mentre la sorgente n.86 consiste in un solo elemento radioattivo: Americio

24195𝐴𝑚.

SORGENTI α

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In seguito abbiamo interposto tra il rivelatore e la sorgente diversi assorbitori di diverso spessore:

• Tantalio ¹⁸¹⁷³𝑇𝑎 (3,8 µm; 6,35 mg/cm²)

• Oro¹⁹⁷⁷⁹𝐴𝑢 (2,5 µm; 4,825 mg/cm²)

• Molibdeno ⁹⁴⁴²𝑀𝑜 (0,9 µm; 0,9 mg/cm²)

• Stagno 12050𝑆𝑛 (0,5 µm; 0,4 mg/cm²)

• Mylar (C₁₀H₈O₄) + Al ( 6 μm)

• Carbonio ¹²⁶𝐶 (2,2 µm; 0,5 mg/cm²)

Per ognuno di questi bersagli abbiamo usato la sorgente singola n.86.

ASSORBITORI

Assorbitore d’oro

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Per ciascuno di questi assorbitori, è possibile osservare l’energia rimanente delle particelle α.

Confrontando i vari spettri è possibile anche capire se un bersaglio ha un potere frenante maggiore o minore degli altri al passaggio di particelle α.

Il potere frenante del mylar alluminato è 130 keV / μm.

Il rumore dovuto all’elettronica non ha alcuna influenza sulla misurazione.

CONFRONTO ASSORBITORI

Picco ²⁴¹𝐴𝑚, sorgente n. 86

Channel

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Dipendenza energia persa-energia particella ^α

Confronto valori teorici - valori sperimentali per 4294𝑀𝑜

DIPENDENZA ENERGIA PERSA-ENERGIA

Formula di Bethe-Bloch

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15

Esperimento di Rutherford

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L’ESPERIMENTO DI RUTHERFORD

Da sinistra, Marsden, Rutherford e Geiger

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Analisi e commento dello spettro ottenuto

• Numero run: 12025

• Conteggi: 10052

• Target: Au/Si

• Energia: 2MeV

• Angolo misurato: 20°

• Angolo di scattering: 160°

• Carica: 8.04 uC

• Corrente: 15 nA

Spettro riportante il segnale del Silicio sul fondo del bersaglio, dell’Oro presente sulla superficie e il picco dell’impulsatore, che ha permesso di individuare la risoluzione della strumentazione e di verificare che l’elettronica fosse vivaα.

α α

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Dipendenza conteggi – energia rivelata

Formula di Rutherford

(19)

Dipendenza conteggi – angolo θ

Formula di Rutherford

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Grafico bidimensionale elaborato con il software GNUplot.

Sull’asse z i conteggi normalizzati in funzione rispettivamente dell’energia (asse x) e dell’angolo di deviazione (asse y).

Visualizzazione delle dipendenze

Energia (MeV) Angolo di

deviazione (gradi)

Conteggi normalizzati (conteggi/µC)

CONTEGGI (ENERGIA, ANGOLO DI DEVIAZIONE)

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La catena elettronica 21

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LA CATENA DI ACQUISIZIONE

RIVELATORE

?

Una volta registrato il segnale con il rivelatore è necessario acquisirlo.

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GLI ELEMENTI FONDAMENTALI

RIVELATORE

PreAMPLIFICATORE

AMPLIFICATORE

CONVERTITORE ADC

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LIMITARE IL RUMORE

IL ruolo del Pre-Amplificatore è trasformare il segnale in modo che ^.

RIVELATORE

AMP

AMP PreAMP

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IL CAMPIONAMENTO

Il segnale analogico in uscita dall’

amplificatore è continuo e non può essere analizzato direttamente.

Dopo il campionamento e la conversione il computer può analizzare i dati.

A quest’ intervallo

corrisponde lo stesso codice

(26)

SISTEMI COMPLESSI

Se è necessario acquisire una grande quantità di dati in un tempo ridotto è necessario implementare un sistema di trigger.

Segnale trigger: ci informa che deve iniziare l’acquisizione Segnale di gate: durante il gate avviene l’acquisizione

Segnale di ready: indica che l’acquisizione è terminata Segnale di busy: dà un’informazione sul tempo morto

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Sistemi di acquisizione dati 27

(28)

Un sistema di acquisizione dati ha la funzione di registrare ed elaborare le misure ottenute dall’apparato sperimentale dopo che sono state elaborate dal convertitore analogico-digitale.

COS’È UN DAQ?

Avvio

Salvataggio Reset

(Configurazione)

Errore

Arresto

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Stage 2017 - INFN di Legnaro

Spettro

Tempo di acquisizione

Pulsante d’avvio

Pulsante d’arresto

INTERFACCIA DAQ

30

Numero run

Pulsante di reset

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Avviando l’acquisizione dati inizia la creazione del grafico in tempo reale.

UTILIZZO DEL DAQ (I)

𝒕𝒆𝒎𝒑𝒐_{𝒎𝒐𝒓𝒕𝒐} = 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒐_{𝒗𝒆𝒓𝒐} − 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒐_{𝒗𝒊𝒗𝒐}

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UTILIZZO DEL DAQ (II)

Passato un sufficiente tempo si ferma l’acquisizione dei dati.

Dopodiché si modifica la scala del grafico per una migliore lettura. I risultati sono poi stati raccolti in un logbook.

(32)

Il logbook è stato utilizzato per documentare i dieci eventi. Inoltre sono stati salvati i grafici raccolti ed elaborati dal DAQ.

Data storage = 2kB x 10 run

DATA STORAGE

Rappresentazione binaria di un Run

(33)

Software 33

(34)

SOFTWARE

(35)

Elo e Lise++ :

Simulano l’interazione tra una sorgente di particelle α e un materiale. Consentono di trovare l’energia persa di queste particelle.

Carta dei nuclidi:

Trovare l’energia degli elementi

ELO, LISE++, CARTA DEI NUCLIDI

SIMULAZIONE

(36)

Tutti questi software servono per l’elaborazione dei dati in

quanto consentono la visualizzazione di grafici e

l’analisi di spettri

ROOT, XRUMP, GNUPLOT

ELABORAZIONE

(37)

Entrambi i software servono per creare i grafici degli andamenti con i dati acquisiti

EXCEL E GEOGEBRA

VISUALIZZAZIONE

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LABVIEW

Questo software consente di creare simulazioni di segnali con diverse forme

d’onda, frequenze, ampiezze e rumore

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Questo software consente di creare siti web con i menù a tendina e articoli catalogati nelle relative sezioni

JOOMLA

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CONCLUSIONI

Studio dell’ interazione α-materia

Analisi dell’ esperimento di Rutherford

Analisi del metodo RBS per lo studio delle superfici

Studio della catena elettronica

Studio del sistema di acquisizione dati

Utilizzo di software per l’analisi e la visualizzazione dei dati

(41)

Grazie a

Massimo Loriggiola (servizio bersagli)

Giovanni Scarabottolo (servizio sorgenti e radioprotezione) I tutor degli stage J e M

RINGRAZIAMENTI

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INDICE

PARTICELLE α

ATTIVITA’ SORGENTE DI Am

ATTIVITA’ SORGENTI CALIBRAZIONE

RIVELATORI

RIVELATORI AL SILICIO

α

SORGENTI α

ASSORBITORI

CONFRONTO ASSORBITORI

LA CATENA DI ACQUISIZIONE

?

GLI ELEMENTI FONDAMENTALI

LIMITARE IL RUMORE

IL CAMPIONAMENTO

SISTEMI COMPLESSI

COS’È UN DAQ?

Spettro

INTERFACCIA DAQ

UTILIZZO DEL DAQ (I)

UTILIZZO DEL DAQ (II)

DATA STORAGE

Rappresentazione binaria di un Run

SOFTWARE

ELO, LISE++, CARTA DEI NUCLIDI

ROOT, XRUMP, GNUPLOT

EXCEL E GEOGEBRA

LABVIEW

JOOMLA

CONCLUSIONI

RINGRAZIAMENTI

Grazie per l’attenzione !