Syllabus del corso
Obiettivi
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 dal microcontrollore, ed infine trasmesso al PC per essere analizzato e memorizzato.
Una descrizione più dettagliata degli scopi e modalità del corso la si trova descritta nella seguente pubblicazione (cui si può accedere con le credenziali campus):
A laboratory course on detector readout for undergraduate students of experimental physics
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, ed uso dei microcontrollori per il gestire il trigger e la trasmissione dei dati. Il software MATLAB verrà utilizzato sul PC per ricevere e analizzare i dati acquisiti. Una applicazione pratica sarà la costruzione di una catena di misura per uno dei più attuali rivelatori, il cosiddetto 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
Il corso è per tutti e si prefigge lo scopo di essere propedeutico a qualsiasi indirizzo lo studente voglia intraprendere successivamente.
Questa è la lista dettagliata degli argomenti trattati:
- Primi passi con microcontrollore di famiglia ARM Cortex: GPIO, timer, interrupt.
- Comunicazione tra microcontrollore e PC via protocollo seriale (UART): ASCII o dati binari.
- Uso del software MATLAB su PC.
- Acquisizione con convertitore analogico-digitale (ADC).
- Gestione avanzata della memoria: DMA, buffer circolare.
- Acquisizione di segnali e trigger.
- Amplificatori operazionali, configurazione invertente e non invertente.
- Diodi, LED, rivelatori al Silicio e SiPM
- Rilevatori di picco
- Osservazione di segnali di singolo fotone con SiPM
- Costruzione e operazione della catena di acquisizione completa, dal SiPM al microcontrollore e quindi al PC.
Più informazioni saranno disponibili alla seguente pagina web: http://pessina.mib.infn.it
Prerequisiti
Principali Nozioni di Fisica di base classica: Elettricità e Magnetismo.
Modalità didattica
**Il corso si svolge al primo semestre. **
24 sessioni di laboratorio di 4 ore ciascuna, due volte alla settimana, da confermare con l'orario del semestre.
Le sessioni si svolgono in modalità interattiva in presenza (attività di laboratorio).
Nella prima metà del corso, ogni studente lavora individualmente con il proprio microcontrollore.
Nella seconda metà del corso, si formano gruppi di 2-3 studenti per lavorare su amplificatori e SiPM.
Quando necessario introdurre l'argomento successivo, la prima parte della sessione (circa 1 ora) può essere svolta in modalità erogativa (lezione frontale in laboratorio) ed in inglese, se richiesto.
Materiale didattico
- Dispense che saranno rese disponibili, su questa pagina web (cliccando su entra, il bottone verde a destra), in sincronia con le lezioni;
- Software di sviluppo dei progetti;
- Strumenti di analisi matematica;
- Schede di sviluppo per i microcontrollori che useremo;
- I rivelatori che ueremo;
- Strumentazione di laboratorio appropriata alle sperimentazioni: oscilloscopi, generatori di funzioni, generatori di tensione.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
- Una relazione scritta descrivente tutte le esperienze affrontate (la relazione può essere scritta in gruppo di al massimo 3 persone);
- Un colloquio (obbligatorio), che sarà invece individuale, dove si discuterà il contenuto della relazione e gli argomenti trattati a lezione. Come indicato sopra, gli argomenti trattati a lezione sono disponibili su questa pagina web (cliccando su entra). Accanto ad ogni dispensa verranno indicati gli eventuali argomenti non richiesti ma presenti solo per approfondimento.
Il voto finale tiene conto dell'attività svolta in laboratorio durante il corso, della qualità della relazione e della padronanza degli argomenti dimostrata nel corso del colloquio finale.
L'esame può essere sostenuto in Inglese.
Orario di ricevimento
Sempre, previo appuntamento: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it
Sustainable Development Goals
Aims
Basic knowledge of the use of microcontrollers to manage 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 by the microcontroller system, and finally transmitted to the PC for analysis and storage.
A more detailed description of the purposes and modalities of the course can be found described in the following publication (which can be accessed with campus credentials):
A laboratory course on detector readout for undergraduate students of experimental physics
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 to the digital world, and use of microcontrollers to manage trigger and data trasmission. The MATLAB software will be used on the PC to receive and analyze the acquired data. 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
The course is for everyone and aims to be preparatory to any address the student wants to undertake later.
- First steps with ARM Cortex family microcontroller: GPIO, timers, interrupts.
- Communication between microcontroller and PC via serial protocol (UART): ASCII or binary data.
- Use of MATLAB software on PC.
- Acquisition with analog-to-digital converter (ADC).
- Advanced memory management: DMA, circular buffer.
- Signal acquisition and triggering.
- Operational amplifiers, inverting and non-inverting configuration.
- Diodes, LEDs, Silicon and SiPM detectors
- Peak detectors
- Observation of single photon signals with SiPM
- Construction and operation of the complete acquisition chain, from SiPM to microcontroller and then to PC.
More information will be available at the following web page: http://pessina.mib.infn.it
Prerequisites
Notions of classical Physics: Electricity and Magnetism.
Teaching form
**The course takes place in the first semester. **
24 laboratory sessions of 4 hours each, twice a week, to be confirmed with the semester schedule.
The sessions are conducted in interactive in-presence mode (lab activities).
In the first half of the course, each student works individually with his or her own microcontroller.
In the second half of the course, groups of 2-3 students are formed to work on amplifiers and SiPM.
When necessary to introduce the next topic, the first part of the session (about 1 hour) can be conducted in delivery mode (frontal lecture in the lab) and in English, if asked.
Textbook and teaching resource
- Slides that will be made available, on this web page (clicking on Enter, the green button on the right), in sync with the lectures;
- Project development software;
- Mathematical analysis tools;
- Development boards for the microcontrollers we will use;
- Detectors we will use;
- Laboratory instrumentation appropriate to the experiments: oscilloscopes, function generators, voltage generators.
Semester
First semester.
Assessment method
- A written report describing all the experiences covered (the report can be written in groups of up to 3 people);
- An interview (mandatory), which will be individual instead, where the content of the report and the topics covered in class will be discussed. As indicated above, the topics covered in class are available on this webpage (by clicking on enter). Next to each handout will be indicated any topics not required but only present for further study.
The final grade takes into account the work done in the laboratory during the course, the quality of the paper and the mastery of the topics demonstrated in the final interview.
The exam can be taken in English.
Office hours
Anytime, upon notice: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it
