Syllabus del corso
Obiettivi
Alla base di ogni esperimento di fisica c'è un processo fondamentale: la conversione degli eventi fisici in segnali elettrici, che vengono poi trasformati in sequenze di numeri analizzabili. Questo stesso principio si applica a molti dei sistemi con cui interagiamo quotidianamente, spesso senza rendercene conto. Basti pensare alla diagnostica di un'automobile o ai nostri cellulari, capaci di elaborare onde radio, suoni, temperature e accelerazioni.
In questo corso, ci immergeremo nella costruzione completa di un moderno sistema di acquisizione dati per un rivelatore. Il nostro obiettivo finale sarà analizzare i dati così ottenuti.
A livello pratico, ciò significa che studieremo e costruiremo ogni singolo elemento di questa catena. Partiremo dal microprocessore, che ha il compito di generare le stringhe numeriche dai segnali analogici. Questi segnali, a loro volta, provengono dall'amplificatore che realizzeremo per leggere al meglio i segnali prodotti dal rivelatore.
Acquisiremo e metteremo in pratica tutte le nozioni di base necessarie per raggiungere questo scopo, dotandoci degli strumenti per comprendere e implementare ogni fase del processo.
- Comprendere i principi fondamentali dei circuiti elettronici analogici e digitali e il funzionamento dei rivelatori utilizzati nelle esperienze di laboratorio.
- Progettare, costruire e testare circuiti elettronici, applicando le conoscenze teoriche acquisite.
- Valutare criticamente i risultati sperimentali e diagnosticare malfunzionamenti nei circuiti realizzati.
- Comunicare in modo chiaro e strutturato i risultati dell’attività sperimentale attraverso relazioni scritte e colloqui orali.
- Sviluppare capacità di apprendimento autonomo nell’uso di strumentazione elettronica e nell’approccio a nuove esperienze sperimentali.
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
Questo corso ha l'obiettivo di introdurre gli studenti al mondo della fisica sperimentale, concentrandosi sugli elementi chiave di una catena di misurazione con un rivelatore di particelle. Impareremo a conoscere e utilizzare:
- Amplificatori e sagomatori analogici del segnale, fondamentali per preparare il segnale grezzo del rivelatore.
- Convertitori analogico-digitali (ADC), essenziali per trasformare i segnali analogici in dati numerici.
- Microcontrollori, per gestire il sistema di trigger (ovvero, il meccanismo che decide quando acquisire un dato) e la trasmissione dei dati.
- Per l'analisi e la visualizzazione dei dati acquisiti, utilizzeremo il software MATLAB su PC.
Un'applicazione pratica cruciale del corso sarà la costruzione di una catena di misura completa per uno dei rivelatori più moderni e diffusi: il SiPM (Silicon Photomultiplier), o Fotomoltiplicatore al Silicio. Questo tipo di rivelatore è straordinario perché è in grado di generare un segnale elettrico misurabile anche in risposta a un singolo fotone incidente.
Studieremo in dettaglio il segnale elettrico prodotto dal SiPM e lo elaboreremo attraverso l'intera catena di misura, che costruiremo interamente in laboratorio. L'obiettivo è convertire questi segnali in una sequenza di numeri, che saranno poi analizzati matematicamente per estrarne informazioni fisiche.
Questo percorso pratico vi fornirà una solida base per affrontare le sfide della fisica sperimentale moderna.
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 parte del corso, ogni studentessa e studente lavora individualmente con il proprio microcontrollore per realizzare il sistema di conversione dei segnali e della loro trasmissione al PC.
Nella seconda parte del corso, si formano gruppi di 2-3 studentesse e studenti per lavorare su amplificatori e SiPM.
Nella parte finale del corso ogni studentessa e studente implementerà la prorpia catena di misura consistente nel rivelatore, amplificatore, microcontrollore ed analaisi dei dati ottenuti su PC.
Quando necessario introdurre l'argomento successivo, la prima parte della sessione (circa 1 ora) sarà 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
Underlying every physics experiment is a fundamental process: the conversion of physical events into electrical signals, which are then transformed into a sequence of numbers that can be analyzed. This same principle applies to many of the systems we interact with on a daily basis, often without realizing it. Just think of a car's diagnostics or our cell phones, which are capable of processing radio waves, sounds, temperatures and acceleration.
In this course, we will dive into the complete construction of a modern data acquisition system for a detector. Our ultimate goal will be to analyze the data thus obtained.
On a practical level, this means that we will study and build every single element of this chain. We will start with the microprocessor, which is responsible for generating the numerical strings from the analog signals. These signals, in turn, come from the amplifier that we will build to best read the signals produced by the detector.
We will acquire and practice all the basics needed to achieve this, equipping ourselves with the tools to understand and implement each step of the process.
- Understand the basic principles of analog and digital electronic circuits and the operation of detectors used in laboratory experiences.
- Design, build and test electronic circuits, applying acquired theoretical knowledge.
- Critically evaluate experimental results and diagnose malfunctions in fabricated circuits.
- Communicate in a clear and structured way the results of experimental activity through written reports and oral talks.
- Develop independent learning skills in the use of electronic instrumentation and in approaching new experimental experiences.
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
This course aims to introduce students to the world of experimental physics, focusing on the key elements of a measurement chain with a particle detector. We will learn about and use:
- Analog signal amplifiers and shapers, which are fundamental for preparing the raw signal for the detector.
- Analog-to-digital converters (ADCs), essential for transforming analog signals into numerical data.
- Microcontrollers, to manage the trigger system (i.e., the mechanism that decides when to acquire a data item) and data transmission.
- For analysis and visualization of the acquired data, we will use MATLAB software on a PC.
A crucial practical application of the course will be the construction of a complete measurement chain for one of the most modern and popular detectors: the SiPM, or Silicon Photomultiplier. This type of detector is extraordinary because it can generate a measurable electrical signal even in response to a single incident photon.
We will study in detail the electrical signal produced by the SiPM and process it through the entire measurement chain, which we will build entirely in the laboratory. The goal is to convert the signals into a sequence of numbers, which will then be analyzed mathematically to extract physical information from it.
This hands-on course will provide you with a solid foundation to meet the challenges of modern experimental physics.
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 part of the course, each student works individually with his or her own microcontroller to realize the system of signal conversion and its transmission to the PC.
In the second part of the course, groups of 2-3 students are formed to work on amplifiers and SiPMs.
In the final part of the course, each student will implement his or her own measurement chain consisting of the detector, amplifier, microcontroller and analysis of the data obtained on a PC.
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
