- Electronic Experimentation
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
IL CORSO E' INZIATO LUNEDI' 1 MARZO, clicca su entra in alto a destra per tutti gli avvisi
ATTENZIONE: il corso viene svolto nel secondo semestre
Nozioni di base all'uso dei microcontrollori per la gestione del legame tra mondo analogico e mondo digitale. Introduzione alla manipolazione analogica dei segnali generati da rivelatori di particelle: amplificazione e sagomatura del segnale. Costruzione di una catena di acquisizione completa: il segnale del rivelatore è amplificato, sagomato in modo opportuno, quindi trasformato in una sequenza di numeri analizzabili matematicamente dal sistema microcontrollore.
Contenuti sintetici
Il corso si prefigge lo scopo di avviare lo studente al mondo degli esperimenti di fisica introducendo gli ingredienti principali di una catena di misurazione con un rivelatore di particelle: amplificatori e sagomatori analogici del segnale, uso dei convertitori dal mondo analogico al mondo digitale e viceversa ed uso dei microcontrollori per la gestione dei 2 mondi analogico e digitale. Una applicazione pratica sarà la costruzione di una catena di misura per uno dei più attuali rivelatori, il così detto SiPM, ovvero Fotomoltiplicatore al Silicio. Un rivelatore capace di produrre un segnale elettrico misurabile in risposta anche ad un singolo fotone incidente. Verrà studiato il segnale elettrico generato nel rivelatore per essere convertito in una sequenza di numeri che saranno analizzati matematicamente con una catena tutta costruita in laboratorio.
Programma esteso
Questo sarà il primo anno per questo corso e, nel secondo semestre, potremo ancora essere in emergenza pandemica; pertanto è probabile che non tutti gli obiettivi potranno essere perseguiti. Comunque, l'idea di fondo è quella di analizzare e costruire una catena di lettura di un rivelatore. Chiaramente tutte le tematiche non verranno affrontate approfonditamente, anche perché l'offerta formativa del percorso di laurea prevede corsi specifici.
Più esplicitamente. Si partirà dal considerare il rivelatore di interesse, un SiPM, fotomoltiplicatore al Silicio, nel nostro caso. Il passo successivo sarà come affrontare l'amplificazione del segnale prodotto e la sua sagomatura, per potere ottimizzare quello che sarà il così detto rapporto segnale su rumore, affrontando anche le situazioni non ideali in presenza di disturbi ambientali, imparando ad usare gli espedienti opportuni. Il segnale di uscita da questa catena analogica sarà un tensione che dovrà essere convertita in una stringa di numeri per potere essere studiata ed interpretata matematicamente per mezzo di strumenti software specifici. Negli attuali esperimenti di fisica è importante sapere affrontare, o capire, come convertire segnali analogici in segnali digitali e viceversa ed anche imparare a gestire la sincronizzazione di quello che accade, in particolare quando molti rivelatori devono essere gestiti in contemporanea, come in una TAC, per esempio. Per questo impareremo ad usare i così detti convertitori da Anlogico a Digitale, ADC, e convertitori da Digitale ad Analogico, DAC e, soprattutto, i microcontrollori, il cuore intelligente del sistema. I microcontrollori che impareremo ad usare sono a 32 bit della serie ARM, una delle più diffuse a livello industriale.
Il corso è per tutti e si prefigge lo scopo di essere propedeutico a qualsiasi indirizzo lo studente voglia intraprendere successivamente.
Qui una breve presentazione.
Più informazioni saranno disponibili alla seguente pagina web:
Prerequisiti
Principali Nozioni di
Fisica di base classica: Elettricità e Magnetismo.
Modalità didattica
Modalità standard:
Ogni esperienza sarà introdotta da lezioni frontali di durata
commisurata, 6 cfu, 72 ore.
Modalità "Covid":
Le esperienze potranno non essere tutte completamente fruibili. Alcune procedure verranno modificate. Per esempio esperienza svolta dal docente in laboratorio, con analisi dei dati acquisiti svolti remotamente.
Materiale didattico
Dispense (disponibili alla pagina web http://pessina.mib.infn.it), sw di sviluppo dei progetti, strumentazione.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Modalità standard:
Discussione della relazione scritta delle esperienze di laboratorio e delle lezioni frontali.
Modalità "covid":
Come la standard ma con chat google meet e lavagna virtuale jamboard, a meno di cambiamenti di piattaforma.
Orario di ricevimento
Sempre, previo appuntamento: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it
Aims
Basic knowledge of the use of microcontrollers for the management of the link between the analog world and the digital world. Introduction to the analog manipulation of signals generated by particle detectors: amplification and signal shaping. Construction of a complete acquisition chain: the detector signal is amplified, suitably shaped, then transformed into a sequence of numbers that can be mathematically analyzed by the microcontroller system.
Contents
The course aims to introduce the student to the world of physics experiments by introducing the main ingredients of a measurement chain with a particle detector: analog signal amplifiers and shapers, use of converters from the analog world to the digital world and vice versa and use of microcontrollers for the management of the 2 analog and digital worlds. A practical application will be the construction of a measurement chain for one of the most current detectors, the so called SiPM, or Silicon Photomultiplier. A detector capable of producing a measurable electrical signal in response even to a single incident photon. It will be studied the electrical signal generated in the detector to be converted into a sequence of numbers that will be analyzed mathematically with a chain completely built in the laboratory.
Detailed program
This will be the first year for this course and, in the second half of the year, we may still be in a pandemic emergency. However, the basic idea is to analyse and build a detector acquisition reading. Clearly, all the issues will not be dealt with in-depth, also because the educational offer of the degree course includes specific courses.
More explicitly. We will start by considering the detector of interest, a SiPM, a silicon photomultiplier, in our case. The next step will be how to deal with the amplification of the signal produced and its shaping, to be able to optimize what will be the so-called signal-to-noise ratio, also dealing with non-ideal situations in the presence of environmental disturbances, learning to use the appropriate expedients. The output signal from this analog chain will be a voltage that must be converted into a string of numbers to be studied and interpreted mathematically by means of specific software tools. In current physics experiments it is important to know how to deal with, or understand, how to convert analog signals into digital signals and vice versa and also to learn how to manage the synchronization of what happens, especially when many detectors have to be managed simultaneously, as in a CT scan, for example. For this reason we will learn to use the so called Analogue to Digital, ADC, and Digital to Analog converters, DAC and, above all, microcontrollers, the intelligent heart of the system. The microcontrollers that we will learn to use are 32-bit ARM series, one of the most widespread in the industry.
The course is for everyone and aims to be preparatory to any address the student wants to undertake later.
Here a short presentation.
More information will be available at the following web page:
Prerequisites
Notions
on classical Physics: Electricity and Magnetism
Teaching form
Standard mode:
Every experience is introduced by a lesson, 6 cfu, 72 h.
"Covid" mode:
The experiences may not all be fully enjoyable. Some procedures will be modified. For example, experience carried out by the teacher in the laboratory, with analysis of the acquired data carried out remotely.
Textbook and teaching resource
Slides (available on the web page http://pessina.mib.infn.it), development sw, instrumentations.
Semester
Second semester
Assessment method
Standard mode:
Discussion of the report about the laboratory experiences.
Covid mode:
Like the standard but with google meet chat and jamboard virtual board, unless platform changes.
Office hours
Anytime, upon notice: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it