Course Syllabus
Obiettivi
Il Laboratorio di Esperimentazioni di plasmi 2020/2021 si articola in due PARTI
PARTE 1: Laboratorio di diagnostiche nucleari di plasmi da fusione
PARTE 2: Laboratorio su macchine da vuoto e plasmi freddi
Programma esteso
PARTE 1
Lo scopo della PARTE 1 del laboratorio è quello di dare allo studente una conoscenza basilare delle principali diagnostiche utilizzate per misura di radiazione nucleare emessa da plasmi di fusione. La radiazione nucleare emessa da plasmi da fusione termonucleare controllata è principalmente costituita da neutroni, raggi gamma e raggi X.
Attraverso una serie di lezioni teoriche introduttive verranno forniti i concetti alla base dell’emissione di queste radiazioni dal plasma e verrà spiegata la loro importanza diagnostica al fine della determinazione delle configurazioni di plasma per raggiungere la fusione nucleare.
In modo particolare le lezioni comprenderanno i seguenti argomenti
1) Introduzione alla fusione nucleare. Misure nucleari da plasmi da fusione, perché si fanno?, perché sono importanti per tokamak come ITER e DEMO? Che informazioni si ricavano?
2) Spettroscopia neutronica da plasmi termonucleari. Cosa vuol dire? Quali diagnostiche si usano? Come funzionano Descrizione di diagnostiche comprovate (eg. MPR, TOFOR, Scintillatori Liquidi,…) e di diagnostiche innovative (Diamandi sintetici, SiC,…)
3) Spettroscopia gamma da plasmi termonucleari Cosa vuol dire? Quali diagnostiche si usano? Come funzionano Descrizione di diagnostiche comprovate (eg. Scintillatori+PMT) e di diagnostiche innovative (SiPM,..)
4) Misure di raggi X soffici da plasmi termonucleari. Descrizione componenti della radiazione e processi fisici alla base. Quali diagnostiche si usano? Come funzionano? Descrizione di diagnostiche comprovate (eg. Silici) e di diagnostiche innovative (GEM,…)
Ogni lezione introduttiva conterrà anche una parte di descrizione di funzionamento di rivelatori.
Le esperienze di laboratorio (E1,E2,E3,E4) che ciascuno studente affronterà sono le seguenti (breve descrizione)
E1: Determinazione di efficienza assoluta di un LaBr+PMT e misura di attività di una sorgente ignota
E2: Misure di spettroscopia gamma utilizzando scintillatori accoppiati a
PMT o SiPM
E3: Misura della risoluzione energetica e della raccolta di carica in rivelatori al diamante e SiC usando sorgente alfa
E4: Studio della risposta di un rivelatore al Silicio a raggi X (calibrazione, risoluzione energetica…)
Per alcune di queste esperienze verrà inoltre utilizzato un simulatore per simulare la risposta ad una impulso di plasma (simulato) per alcune diagnostiche durante esperimenti di fusione.
Per ogni esperienza verrà tenuta una lezione introduttiva in cui saranno spiegate sia la strumentazione da utilizzare sia i diversi passaggi dell’esperienza stessa.
Gli studenti saranno suddivisi in gruppi da 4.
A causa dell’emergenza COVID-19 al massimo due studenti sono ammessi contemporaneamente in laboratorio.
Le lezioni introduttive si svolgeranno in remoto sulla piattaforma zoom (link di connessione fornito negli avvisi)
Verrà fornito calendario dettagliato sia delle lezioni che dei turni di laboratorio.
Le attività si tengono nel locale 1001 dell’Edificio U9- Laboratori Plasma Prometeo del Dipartimento di Fisica.
PARTE 2
Lo scopo delle attività di laboratorio inerenti la parte 2 è quello di introdurre alcuni aspetti fenomenologici della fisica dei plasmi in modo sperimentale, dando alcuni strumenti formativi di base che saranno utili anche per le future attività universitaria e per la professione del fisico.
Le attività sono corredate da una breve introduzione allo stato di plasma e alle tecniche del vuoto e diagnostiche impiegate per la produzione e la caratterizzazione dei plasmi.
Gli argomenti delle lezioni introduttive che si svolgeranno in modalità da remoto:
1)Classificazione dei plasmi in natura e in laboratorio
2)Caratteristiche principali dei plasmi: neutralità, effetti collettivi, proprietà em
3)Diagnostiche per plasmi: la sonda di Langmuir
4)Introduzione alle tecnologie del vuoto
5) Introduzione agli esperimenti
Gli esperimenti si svolgono nell’ambito delle attività principali:
- Mappatura del campo magnetico di una macchina a plasma lineare
- Predisposizione e assemblaggio della camera da vuoto che contiene il plasma lineare
- Approntamento della diagnostica di Langmuir
- Generazione del plasma lineare e misura delle caratteristiche della scarica
- Caratterizzazione del plasma: misura dei profili macroscopici del plasma (densità, potenziale, temperatura)
Gli studenti parteciperanno alle attività sperimentali in coppia secondo il calendario che verrà predisposto nei primi giorni di Marzo 2021.
A causa dell’emergenza COVID-19 le attività si organizzano con una presenza contemporanea massima di 4 studenti.
Le lezioni introduttive si svolgeranno in remoto sulla piattaforma WebEx Meeting (link di connessione fornito negli avvisi alla pagina e-learning dell’insegnamento).
Le attività si tengono nel locale 2025 dell’Edificio U2- Dipartimento di Fisica.Prerequisiti
Fisica 2
Modalità didattica
Lezioni introduttive e laboraotrio
Materiale didattico
Saranno redatte alcune slides sugli argomenti introduttivi e le schede degli esperimenti.
Si consiglia il testo F.F. CHEN Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Springer International Publishing
DOI 10.1007/978-3-319-22309-4, 2016, per una descrizione fenomenologica dello stato di plasma.
Per la parte di diagnostiche si consiglia il testo Glenn F. Knoll Radiation detection and measurement
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo Semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Per essere ammessi all’esame è necessario redigere una relazione su tutte le esperienze di laboratorio. L’esame orale verterà sia sulla discussione della relazione stessa sia su domande generali su argomenti teorici trattati.
Aims
The 2020/2021 Plasma Laboratory is divided into two PARTS
PART 1: Laboratory of nuclear diagnostics of fusion plasmas
PART 2: Laboratory on vacuum machines and cold plasmas
Detailed program
PART 1
The purpose of PART 1 of the laboratory is to give the student a basic knowledge of the main diagnostics used to measure nuclear radiation emitted by fusion plasmas. The nuclear radiation emitted by controlled thermonuclear fusion plasmas consists mainly of neutrons, gamma rays and X-rays. Through a series of introductory theoretical lessons, the concepts underlying the emission of these radiations from the plasma will be provided and their diagnostic importance will be explained in determining the plasma configurations to achieve nuclear fusion.
In particular, the lessons will
include the following topics
1) Introduction to nuclear fusion. Why are nuclear measurements from fusion plasmas performed? Why are they important for tokamaks like ITER and DEMO? What information do you get?
2) Neutron spectroscopy from thermonuclear plasmas. What does it mean? What diagnostics are used? How do they work? Description of proven diagnostics (eg. MPR, TOFOR, Liquid Scintillators, ...) and of innovative diagnostics (Synthetic Diamonds, SiC, ...)
3) Gamma spectroscopy from thermonuclear plasmas What does it mean? What diagnostics are used? How do they work? Description of proven diagnostics (eg. Scintillators + PMT) and innovative diagnostics (SiPM, ..)
4) Soft X-ray measurements from thermonuclear plasmas. Description of radiation components and underlying physical processes. What diagnostics are used? How do they work? Description of proven diagnostics (eg. Silicon detectors) and of innovative diagnostics (GEM, ...)
Each introductory lesson will also contain a part of description of the operation of detectors.
The laboratory experiences (E1, E2, E3, E4) that each student will attend are the following (short description)
E1: Determination of absolute efficiency of a LaBr + PMT and measurement of activity of an unknown source
E2: Gamma spectroscopy measurements using scintillators coupled to PMT or SiPM
E3: Measurement of energy resolution and charge collection in diamond and SiC detectors using alpha source
E4: Study of the response of a
Silicon X-ray detector (calibration, energy resolution ...)
For some of these experiments a detector emulator will also be used to simulate the response to a (simulated) plasma pulse for some diagnostics during fusion experiments.
For each experience, an introductory lesson will be held in which both the equipment to be used and the different steps of the experience will be explained.
Students will be divided into groups of 4.
Due to the COVID-19 emergency, a maximum of two students are admitted to the laboratory at the same time.
The introductory lessons will take place remotely on the zoom platform (connection link provided in the notices on the e-learning page of the course)
A detailed schedule of both lessons and laboratory shifts will be provided.
The activities are held in room 1001 of Building U9 - Prometeo Plasma Laboratories of the Physics Department.
The purpose of the laboratory activities related to part 2 is to introduce some phenomenological aspects of plasma physics in an experimental way, giving some basic training tools that will also be useful for future university activities and for the physicist profession.
PART 2
The activities are accompanied by a brief introduction to the plasma state and to the vacuum and diagnostic techniques used for the production and characterization of plasmas.
The topics of the introductory lessons that will take place remotely:
1) Classification of plasmas in nature and in the laboratory
2) Main characteristics of plasmas: neutrality, collective effects, e.m. properties
3) Diagnostics for plasmas: the Langmuir probe
4) Introduction to vacuum technologies
5) Introduction to experiments
The experiments will take place as part of the main activities:
- Magnetic field mapping of a linear plasma machine
- Preparation and assembly of the vacuum chamber that contains the linear plasma
- Preparation of Langmuir diagnostics
- Linear plasma generation and measurement of the discharge characteristics
- Plasma characterization: measurement of macroscopic plasma profiles (density, potential, temperature)
Students will participate in the experimental activities in pairs according to the calendar that will be prepared in the first days of March 2021.
Due to the COVID-19 emergency, the activities are organized with a maximum simultaneous presence of 4 students.
The introductory lessons will take place remotely on the WebEx Meeting platform (connection link provided in the notices on the e-learning page of the course).
The activities are held in the 2025 room of the U2 Building - Department of Physics.
Prerequisites
Fisica 2
Teaching form
Lessons ans laboratory sessions
Textbook and teaching resource
Some slides will be written on the introductory topics and the cards of the experiments.
We recommend the text
F.F. CHEN Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Springer International Publishing
DOI 10.1007 / 978-3-319-22309-4, 2016, for a phenomenological description of the plasma state.
For the diagnostics part, the text Glenn F. Knoll Radiation detection and measurement is recommended
Semester
Assessment method
To be admitted to the exam it is necessary to
prepare a report on all laboratory experiences. The oral exam will focus both
on the discussion of the report itself and on general questions on the
theoretical topics covered
Key information
Staff
-
Gabriele Croci
-
Oscar Putignano
-
Claudia Riccardi
-
Daria Ricci
-
Giulia Marcer
-
Oscar Putignano