Cari Studenti,
purtroppo l'emergenza dovuta al virus SARS-CoV-2 e' lontana dall'essere superata e, probabilmente, le misure coercitive verranno estese oltre il 3 Aprile. Questo significa che, ad oggi, non possiamo sapere quando e se sarà possibile entrare in laboratorio.
Per non perdere ulteriore tempo abbiamo deciso iniziare ad erogare il corso in modalità a distanza.
Questa modalità consisterà in video-lezioni e compiti da eseguire a casa che poi verranno valutati e giudicati.
Il vostro primo compito sara' l'analisi di dati relativi alla caratterizzazione di un rivelatore a semiconduttore (Silicio) a barriera superficiale.
Questa tipologia di rivelatori sono tipicamente utilizzati nell'ambito della spettroscopia alfa.
Il loro funzionamento, e il modo in cui il loro segnale viene amplificato e condizionato, e' stato illustrato nelle lezioni introduttive.
Per un eventuale ripasso/approfondimento potete consultare i seguenti libri:
- Glenn F. Knoll, "Radiation Detection and Measurement"
- Chapter 1: Radiation Sources
- Chapter 2: Radiation Interactions
- Chapter 11: Semiconductor Diode Detectors
- Chapter 16: Pulse Processing
- Chapter 18: Multichannel Pulse Analysis
- S.Landsberg. N.Tsoulfanidis, "Measurement And Detection Of Radiation
- Chapter 1: Introduction to Radiation Measurements
- Chapter 3: Review of Atomic and Nuclear Physics
- Chapter 4: Energy Loss and Penetration of Radiation through Matter
- Chapter 7: Semiconductor Detectors
- S. Tavernier, "Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics"
- Chapter 1: Introduction, Nuclei and Nuclear Decay, The Alpha Decay
- Chapter 1: Interactions of Particles in Matter
- Chapter 5: Detectors Based on Ionization in Semiconductor Materials, Silicon Semiconductor Detectors
In allegato trovate anche delle slides sulle tecniche utilizzate per leggere e trattare segnali provenienti dai rivelatori tipici che si trovano in laboratorio (rivelatori al Silicio, al Germanio, fotomoltiplicatori, SiPM, etc).
Introduzione al compito
L'obiettivo di questa esperienza è lo studio delle interazioni delle particelle alfa con la materia.
L’esperimento prevederebbe una prima fase di allestimento, ottimizzazione e caratterizzazione dei rivelatori ed una seconda fase di misure dedicate allo studio dei processi di interazione.
La parte di allestimento e ottimizzazione vi verrà eventualmente illustrata al ritorno ai lab o per video lezione.
Quello che vi viene chiesto in questo compito è di cercare di comprendere come sono state eseguite delle misure di caratterizzazione precedentemente acquisite e di effettuarne l'analisi.
Strumentazione utilizzata
- Un Crate NIM per alimentazione di moduli di elettronica standard
- Un modulo 7401-7401VR Alpha Spectrometer CANBERRA, completo di
- camera a vuoto con alloggiamento per il rivelatore;
- sistema di alimentazione del rivelatore;
- catena di lettura con preamplificatore di carica ed amplificatore formatore integrati;
- impulsatore calibrato in energia
- Scheda ADC/MCA CAEN N957 (8k Channel Multichannel Analyzer)
- PC di controllo per la scheda ADC/MCA
- Pompa rotativa e circuito per l’evacuazione della camera
- Rivelatori di Si a barriera superficiale ULTRA AS (ORTEC) da 900 mm2 di area
- Una sorgente alpha 241-Am
A questo link (https://bit.ly/3a5XmSl) trovate la documentazione relativa alla strumentazione utilizzata.
Tale documentazione non va studiata nel dettaglio ma va, eventualmente, consultata.
Il rivelatore al Silicio è posto in una camera a vuoto, e il suo segnale è acquisito con una catena lettura classica:
(pre-amplificatore → amplificatore → shaper) → ADC/MCA.
La strumentazione tra parentesi è tutta integrata all'interno del modulo 7401-7401VR.
Il rivelatore è completamente svuotato per tensioni di polarizzazione da 40 V sino a 80 V.
In questo caso specifico è stato polarizzato con un tensione di 50 V.
Di seguito e' illustrato come sono state eseguite le misure di caratterizzazione.
Caratterizzazione con impulsatore calibrato in energia
La catena di lettura del rivelatore fornisce la possibilità di inviare una serie di impulsi elettrici in grado di generare segnali in uscita all'elettronica la cui forma risulta analoga a quella proveniente dai rivelatori dopo un'interazione alfa.
L'ampiezza di questi impulsi è calibrata in energia dal costruttore quindi, tramite l'impulsatore, è possibile determinare la corrispondenza Energia ↔ Tensione in mV acquisita dall'ADC/MCA.
La misura consiste, dunque, nel fissare l'ampiezza (e quindi l'energia) dell'impulsatore e nel misurare la posizione del picco risultante (espressa in mV).
La posizione del picco può essere determinata eseguendo un'estrapolazione gaussiana.
Eseguendo questa misura a diverse energie è possibile ottenere una curva di calibrazione Energia vs. mV.
Sarà vostra cura determinare quale possa essere il miglior modello analitico in grado di descrivere questa curva, e di valutare quale possa essere l'errore percentuale nel caso si consideri un modello puramente lineare.
I dati relativi a questa calibrazione li trovate a questo link: https://bit.ly/3a7f8Ve
Nel nome del file e' indicata l'energia dell'impulsatore, mentre la quarta colonna rappresenta i campionamenti espressi in mV, acquisiti in funzione del tempo.
Da questi ultimi dovrete create una distribuzione (istogramma) necessaria per determinare la posizione del picco.
Caratterizzazione con sorgente di 241-Am
In questo caso nella camera e' stata inserita una sorgente di 241-Am e, dopo averla evacuata, è stato misurato lo spettro in energia.
Sara vostra cura analizzare le distribuzioni ottenute, riconoscendo le righe tipiche dell'emissione alfa della sorgente.
La risoluzione del rivelatore dovrebbe essere attorno ai 30/40 keV, questo significa che se i picchi risultano vicini il rivelatore non riesce a risolverli totalmente: nell'interpolare i picchi questo va tenuto in conto.
Da questa misura dovrete verificare la calibrazione effettuata in precedenza con l'impulsatore e misurare la risoluzione in energia del rivelatore.
Infine, confrontando i risultati ottenuti con l'impulsatore con quelli ottenuti con la sorgente dovrete fare alcune riflessioni sugli effetti che contribuiscono alla risoluzione in energetica (statistica di coppie elettrone-lacuna, incompleta raccolta, termine elettronico)
I dati relativi a questa calibrazione li trovate a questo link: https://bit.ly/3999pwG
Il formato è analogo a quello precedente.
Per l'analisi dei dati potete utilizzare sia il C/C++ sfruttando il framework ROOT sia Python con il suo ambiente matematico (numpy, scipy, matplotlib, etc). L'importante è che ogni risultato, estrapolazione e stima sia corredata da corrispettivi errori, chi2, residui, etc.
Modalità di consegna dei risultati
Ogni gruppo (trovate la composizione aggiornata sulla pagine e-learning del corso) dovrà consegnare per via telematica un report (quindi più sintetico di una relazione) sull'esperienza.
Ogni report dovrà comprendere:
- Una breve parte introduttiva dove viene spiegata l'esperienza, compatibilmente con il fatto che non sia stata eseguita da voi in prima persona;
- Una parte di analisi dei dati;
- Una parte di considerazioni sui dati ottenuti.
Tali report dovranno essere consegnati attraverso un google form entro il 6 Aprile 2020 e la valutazione andrà a contribuire al voto finale del laboratorio.
Per qualsiasi domanda o dubbio non esitate a contattarci; saremo disponibili a qualsiasi chiarimento anche utilizzando i sistemi ufficiali di video chiamata di ateneo (Google Meet, WebEx, etc)
Cordialmente,
I docenti,
Andrea Giachero,
Silvia Capelli