Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione: Lo studente acquisirà conoscenze avanzate delle tecniche e metodi sperimentali della fisica dei plasmi, incluso l'utilizzo di alimentatori, sistemi da vuoto e diagnostiche per la misura dei parametri del plasma.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente sarà in grado di applicare metodologie sperimentali allo studio dei plasmi, eseguire analisi spettrali di segnali e implementare tecniche di simulazione numerica per la modellazione dei plasmi.
Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critiche nell'analisi di dati sperimentali complessi, nella valutazione delle incertezze di misura e nell'interpretazione dei fenomeni della fisica dei plasmi in contesti fisici più ampi.
Abilità comunicative: Lo studente sarà in grado di redigere relazioni scientifiche complete e presentare efficacemente i risultati sperimentali utilizzando correttamente l'inglese scientifico e la terminologia tecnica appropriata.
Capacità di apprendimento: Lo studente acquisirà competenze di ricerca collaborativa per affrontare problemi fisici complessi all'interno di gruppi di lavoro, applicando metodologie scientifiche rigorose e sviluppando capacità di apprendimento autonomo per argomenti avanzati di fisica dei plasmi.
Contenuti sintetici
Il corso si compone di una serie di esperienze su plasmi di laboratorio e plasmi magnetizzati. Le esperienze saranno precedute da lezioni introduttive sulla fisica e la diagnostica dei plasmi e su tecnologie correlate.
Programma esteso
Il corso è suddiviso in due parti. Entrambe prevedono alcune lezioni introduttive sulla fisica e la diagnostica dei plasmi e su tecnologie correlate, e successivamente una attività di laboratorio. Le lezioni introduttive copriranno complessivamente 12 ore, mentre l'attività di laboratorio occuperà 108 ore.
La prima parte del corso riguarda tecnologie abilitanti, onde ed instabilità nei plasmi e metodi di simulazione numerica. Essa prevede la realizzazione di esperienze sui seguenti argomenti:
- Allestimento di una camera da vuoto; caratterizzazione del vuoto con la spettroscopia di massa e ricerca delle fughe.
- Misura delle oscillazioni alla frequenza di plasma e deduzione della densità di plasma
- Simulazioni numeriche con codice Particle-In-Cell
La seconda parte del corso riguarda lo studio di un plasma magnetizzato sulla macchina toroidale Thorello, e prevede i seguenti argomenti:
- Caratterizzazione di un plasma magnetizzato attraverso l’uso di sonde di Langmuir e spettroscopia ottica.
- Studio della turbolenza in un plasma magnetizzato con tecniche diverse (array di sonde elettrostatiche, fast imaging) e tecniche avanzate di analisi dati.
Prerequisiti
Le nozioni necessarie alla piena comprensione delle tematiche oggetto dell'attività sperimentale verranno fornite durante le lezioni introduttive. E' opportuno avere una competenza di base sull'uso dell'oscilloscopio, e la conoscenza del concetto di trasformata di Fourier.
Modalità didattica
- 6 lezioni introduttive da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza;
- 108 ore di attività di laboratorio svolte in modalità interattiva in presenza.
Il calendario dettagliato delle attività verrà pubblicato sulla pagina e-learning.
Le attività di laboratorio si terranno in parte nel locale 2025 al secondo piano dell’edificio U2 - Dipartimento di Fisica, ed in parte presso il centro PlasmaPrometeo, sito nell'edificio U9.
Materiale didattico
Verranno fornite le slide delle lezioni introduttive. Su alcuni argomenti verranno anche fornite delle dispense redatte dai docenti.
Per eventuali approfondimenti sulla fisica, le tecnologie e i metodi diagnostici relativi ai plasmi di laboratorio, si consigliano i seguenti testi:
F.F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 3ʳᵈ Edition, Springer International Publishing, 2016.
Y.P. Raizer, Gas Discharge Physics, Springer-Verlag, 1991.
M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley, 1994.
I.H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press, 1990.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno, primo 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 una relazione su tutte le esperienze effettuate in laboratorio. La relazione, redatta in lingua inglese, 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.
Orario di ricevimento
Il ricevimento studenti si terrà su appuntamento.
I recapiti dei docenti sono i seguenti:
prof. Emilio Martines, edificio U2, terzo piano, stanza 3026, email: emilio.martines@unimib.it
prof Ruggero Barni, edificio U2, terzo piano, stanza 3029, email: ruggero.barni@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding: Students will acquire advanced knowledge of experimental techniques and methods in plasma physics, including the use of power supplies, vacuum systems, and plasma diagnostic tools for parameter measurement.
Applying knowledge and understanding: Students will be able to apply experimental methodologies to plasma studies, perform spectral analysis of signals, and implement numerical simulation techniques for plasma modeling.
Making judgements: Students will develop critical skills in analyzing complex experimental data, evaluating measurement uncertainties, and interpreting plasma physics phenomena within broader physical contexts.
Communication skills: Students will be able to write comprehensive scientific reports and present experimental results effectively using proper scientific English and appropriate technical terminology.
Learning skills: Students will acquire collaborative research skills for addressing complex physical problems within working groups, applying rigorous scientific methodology and developing autonomous learning capabilities for advanced plasma physics topics.
Contents
The course consists of a series of experiments on laboratory plasmas and magnetized plasmas. The experiments will be preceded by introductory lectures on the physics and diagnostics of plasmas and related technologies.
Detailed program
The course is divided into two parts. Both involve some introductory lectures on plasma physics and diagnostics and related technologies, followed by a laboratory activity. The introductory lectures will cover a total of 12 hours, while the laboratory activity will occupy 108 hours.
The first part of the course covers enabling technologies, waves and instabilities in plasmas and numerical simulation methods. It includes experiments on the following topics:
- Set-up of a vacuum chamber; characterisation of the vacuum using mass spectroscopy and leak search.
- Measurement of oscillations at the plasma frequency and deduction of the plasma density .
- Numerical simulations with a Particle-In-Cell code.
The second part of the course deals with the study of a magnetised plasma on the Thorello toroidal machine, and includes the following topics:
- Characterisation of a magnetized plasma using Langmuir probes and optical spectroscopy
- Study of turbulence in a magnetized plasma using different techniques (electrostatic probe array, fast imaging) and advanced data analysis techniques.
Prerequisites
Notions required for the full understanding of the topics covered by the experimental activity will be provided during the introductory lectures. A basic competence in the use of the oscilloscope, and knowledge of the concept of the Fourier transform are desirable.
Teaching form
- 6 introductory 2-hour lectures delivered in face-to-face delivery mode ("modalità erogativa");
- 108 hours of laboratory activities delivered in face-to-face interactive mode ("modalità interattiva").
The detailed schedule of activities will be published on the e-learning page.
The laboratory activities will be held partly in room 2025 on the second floor of the U2 building - Department of Physics, and partly at the PlasmaPrometeo centre, located in the U9 building.
Textbook and teaching resource
The slides of the introductory lectures will be provided. Handouts prepared by the lecturers will also be provided on some topics.
The following texts are recommended for further study of the physics, technologies and diagnostic methods relating to laboratory plasmas:
F.F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 3ʳᵈ Edition, Springer International Publishing, 2016.
Y.P. Raizer, Gas Discharge Physics, Springer-Verlag, 1991.
M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley, 1994.
I.H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press, 1990.
Semester
First year, first semester
Assessment method
There are no in-progress tests, only a final exam.
To be admitted to the examination, a report must be drawn up on all the experiments carried out in the laboratory. The report, written in English, 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 mentions of the concepts explained 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.
Office hours
Students are received by appointment.
The contact details of the lecturers are as follows:
prof. Emilio Martines, U2 building, third floor, room 3026, email: emilio.martines@unimib.it
prof. Ruggero Barni, U2 building, third floor, room 3029, email: ruggero.barni@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
-
Ruggero Barni
-
Emilio Martines
