Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione: Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenza teorica dei principi fisici alla base della generazione dei plasmi di laboratorio, comprensione di alcune tecniche diagnostiche per la caratterizzazione dei plasmi e dei relativi fenomeni fisici, nonché conoscenza delle caratteristiche della strumentazione specifica per misure su plasmi e del loro utilizzo nel rispetto delle norme di sicurezza.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà in grado di utilizzare strumentazione specializzata per la generazione di plasmi e per effettuare misure diagnostiche, raccogliere, gestire e analizzare dati sperimentali relativi ai plasmi utilizzando tecniche moderne, e applicando il metodo scientifico e redigere relazioni tecniche sull'attività sperimentale svolta.
Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità pratiche nella raccolta e interpretazione di dati sperimentali su plasmi per formulare soluzioni con autonomia, nonché capacità di valutare criticamente modelli e risultati più adatti per affrontare problemi specifici della fisica dei plasmi.
Abilità comunicative: Lo studente acquisirà capacità di presentare risultati sperimentali e concetti della fisica dei plasmi in forma scritta e orale.
Capacità di apprendimento: Lo studente svilupperà autonomia nell'approfondimento di tematiche della fisica dei plasmi e capacità di consultare la letteratura scientifica specializzata per ulteriori sviluppi formativi.
Contenuti sintetici
Il corso si compone di una serie di esperienze che consentiranno di acquisire conoscenze e competenze sulla generazione di plasmi, sia a bassa pressione che a pressione atmosferica, e sulla misura delle loro proprietà, principalmente attraverso l’utilizzo di misure elettriche e di tecniche spettroscopiche. Le esperienze saranno precedute da lezioni teoriche volte a fornire i concetti necessari alla piena comprensione dell’attività di laboratorio.
Programma esteso
Il tema del corso sono le tecniche di generazione di plasmi di laboratorio e le metodologie di misura delle loro proprietà.
Per quanto riguarda la generazione di plasmi, verranno affrontate le seguenti tematiche:
- generazione di plasmi in tensione continua a bassa pressione mediante la tecnica del catodo caldo;
- studio dell'innesco di plasmi in tensione continua a bassa pressione;
- generazione di plasmi a pressione atmosferica con la tecnica della scarica a barriera dielettrica (DBD);
- produzione di vento ionico mediante scarica ad effetto corona;
- plasmi a radiofrequenza.
Per quanto riguarda la diagnostica dei plasmi, si studieranno le seguenti tematiche:
- deduzione delle caratteristiche del plasma dai principali parametri di scarica (tensione, corrente, ecc.);
- utilizzo della sonda di Langmuir per la misura di densità, temperatura elettronica e potenziale di plasma in plasmi a bassa pressione;
- spettroscopia UV e visibile di plasmi freddi.
In particolare, nell’ultimo punto gli studenti avranno l'opportunità di costruire uno spettrometro, il che consentirà loro di imparare le basi di ottica UV e visibile e la programmazione di sensori CCD. Lo spettrometro costruito verrà poi usato per caratterizzare differenti sorgenti di plasma, e le misure saranno confrontate con uno spettrometro commerciale. In particolare, esso sarà utilizzato per la caratterizzazione di molecole in plasma a barriera dielettrica e scariche di tipo DC. Le conoscenze acquisite saranno poi utilizzate per caratterizzare i plasmi delle penning gauges, operative presso l'Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi del CNR, e verranno fornite nozioni riguardo alla loro rilevanza per lo studio dell’interazione plasma-parete in plasmi di interesse fusionistico.
Gli studenti parteciperanno alle attività sperimentali in gruppi da tre/quattro persone, secondo il calendario che verrà predisposto all'inizio del corso.
Le attività di laboratorio si terranno nel locale 2025 al secondo piano dell’Edificio U2- Dipartimento di Fisica. Le attività sulle penning gauges saranno effettuate presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Plasmi del CNR, in via Roberto Cozzi 53.
Le attività del corso forniranno alcuni strumenti formativi di base, comuni a molti ambiti della fisica e tecnologia dei plasmi di laboratorio, che saranno utili anche per le future attività universitarie e per la professione del fisico.
Prerequisiti
Nozioni di elettromagnetismo e corsi di laboratorio degli anni precedenti.
Modalità didattica
- 8 lezioni introduttive da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza;
- 80 ore di attività di laboratorio svolte in modalità interattiva in presenza.
Le lezioni introduttive saranno tenute in italiano.
L'assistenza durante le esercitazioni di laboratorio sarà fornita in italiano, o in inglese su richiesta.
Materiale didattico
Verranno fornite le slide delle lezioni introduttive, e le tracce delle esperienze. Su alcuni argomenti verranno anche fornite delle dispense redatte dai docenti.
Per eventuali approfondimenti sulla fisica e le tecnologie relative ai plasmi di laboratorio, si consigliano i seguenti testi:
- J. Reece Roth, Industrial Plasma Engineering, vol.1, IOP Publishing (1990).
- Yuri P. Raizer, Gas Discharge Physics, Springer-Verlag (1991).
Per la spettroscopia dei plasmi:
- T. Fujimoto, Plasma Spectroscopy, Springer Berlin Heidelberg, Series on Atomic, Optical and Plasma Physics 44, 2008, pp 29-49, doi:10.1007/978-3-540-73587-8_3
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Terzo anno, secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previste prove in itinere, ma soltanto un esame finale.
Per essere ammessi all’esame è necessario redigere, insieme al proprio gruppo, una relazione su tutte le esperienze effettuate in laboratorio. La relazione deve riportare una sintetica descrizione degli apparati utilizzati, i risultati ottenuti e una breve discussione degli stessi.
L’esame, che si terrà in modalità orale, verterà principalmente sulla discussione della relazione stessa, con eventuali richiami dei concetti esposti durante le lezioni introduttive.
Durante l'esame saranno valutate la qualità della relazione, la cura prestata nell'esecuzione delle misure e delle relative analisi dati, e la comprensione dei concetti di fisica su cui si basano le esperienze.
Il voto finale sarà costituito da un punteggio di valutazione delle relazioni, a cui sarà applicato un aggiustamento determinato dall'esito della prova orale.
L'esame si terrà in italiano, o in inglese su richiesta.
Orario di ricevimento
Il ricevimento studenti avviene su appuntamento, da concordarsi per email (ruggero.barni@unimib.it, emilio.martines@unimib.it, marco.cavedon@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding: Upon completion of the course, students will have acquired theoretical knowledge of the physical principles underlying the generation of laboratory plasmas, understanding of some diagnostic techniques for plasma characterization and related physical phenomena, as well as knowledge of the characteristics of specific instrumentation for plasma measurements and their use in compliance with safety regulations.
Applying knowledge and understanding: Students will be able to use specialized instrumentation for plasma generation and diagnostic measurements, collect, manage and analyze experimental data related to plasmas using modern techniques, model plasma physical systems applying the scientific method, and prepare technical reports on the experimental work carried out.
Making judgements: Students will develop practical skills in collecting and interpreting experimental data on plasmas to formulate solutions with autonomy, as well as the ability to critically evaluate models and results most suitable for addressing specific problems in plasma physics.
Communication skills: Students will acquire the ability to present experimental results and plasma physics concepts in written and oral form.
Learning skills: Students will develop autonomy in deepening topics in plasma physics and the ability to consult specialized scientific literature for further educational developments.
Contents
The course consists of a series of experiments that will provide knowledge and skills on the generation of plasmas, both at low and atmospheric pressure, and the measurement of their properties, mainly through the use of electrical measurements and spectroscopic techniques. The experiments will be preceded by theoretical lectures aimed at providing the concepts necessary for a full understanding of the laboratory activity.
Detailed program
The subject of the course is the techniques for generating laboratory plasmas and the methodologies for measuring their properties.
With regard to the generation of plasmas, the following topics will be covered:
- generation of low-pressure DC plasmas using the hot cathode technique;
- study of low-pressure DC plasma breakdown mechanism;
- generation of plasmas at atmospheric pressure using the dielectric barrier discharge (DBD) technique;
- ionic wind production through a corona dicharge;
- radiofrequency plasma.
With regard to plasma diagnostics, the following topics will be investigated:
- deduction of plasma characteristics from the main discharge parameters (voltage, current, etc.);
- use of the Langmuir probe for measuring density, electronic temperature and plasma potential in low-pressure plasmas;
- UV and visible spectroscopy of cold plasmas.
In the last point in particular, students will have the opportunity to build a spectrometer, which will enable them to learn the basics of UV and visible optics and CCD sensor programming. The constructed spectrometer will then be used to characterise different plasma sources, and the measurements will be compared with a commercial spectrometer. In particular, it will be used for the characterization of molecules in dielectric barrier discharges. The knowledge acquired will then be used to characterise the plasmas of the penning guages operated at the CNR Institute for Plasma Science and Technology, and notions will be provided regarding their relevance to the study of plasma-wall interaction in plasmas of fusion interest.
The students will participate in the experimental activities in groups of three/four, according to the schedule that will be prepared at the beginning of the course.
The laboratory activities will be held in room 2025 on the second floor of Building U2 - Department of Physics. Activities on the penning gauges will be carried out at the CNR Institute of Plasma Science and Technology, via Roberto Cozzi 53.
The course activities will provide some basic training tools, common to many areas of laboratory plasma physics and technology, which will also be useful for future university activities and for the physicist's profession.
Prerequisites
Notions of electromagnetism and laboratory courses of the previous years.
Teaching form
- 8 introductory 2-hour lectures delivered in face-to-face delivery mode ("modalità erogativa");
- 80 hours of laboratory activities delivered in face-to-face interactive mode ("modalità interattiva").
The introductory lessons will be given in Italian.
The support to laboratory sessions will be in Italian, or in English on demand.
Textbook and teaching resource
The slides of the introductory lectures will be provided, as well as traces of the experiments. Handouts prepared by the lecturers will also be provided on some topics.
The following textbooks are recommended for further study of physics and technologies relating to laboratory plasmas:
- J. Reece Roth, Industrial Plasma Engineering, vol.1, IOP Publishing (1990).
- Yuri P. Raizer, Gas Discharge Physics, Springer-Verlag (1991).
For plasma spectroscopy:
- T. Fujimoto, Plasma Spectroscopy, Springer Berlin Heidelberg, Series on Atomic, Optical and Plasma Physics 44, 2008, pp 29-49, doi:10.1007/978-3-540-73587-8_3
Semester
Third year, second semester
Assessment method
There are no in-progress tests, only a final exam.
To be admitted to the examination, a group report must be drawn up on all the experiments carried out in the laboratory. The report must contain a brief description of the apparatus used, the results obtained and a brief discussion of them.
The examination, which will be held orally, will focus mainly on the discussion of the report itself, with possible recollections of the concepts presented during the introductory lectures.
During the examination the quality of the report, the care taken in performing the measurements and related data analysis, and the understanding of the physics concepts on which the experiments are based will be evaluated.
The final grade will consist of an evaluation mark for the reports, to which an adjustment determined by the outcome of the oral exam will be applied.
The exam will be held in Italian, or in English on request.
Office hours
Students are received by appointment, to be agreed by email (ruggero.barni@unimib.it, emilio.martines@unimib.it, marco.cavedon@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Staff
-
Ruggero Barni
-
Marco Cavedon
-
Emilio Martines
