la seconda esperienza "virtuale" tratterà una diversa tipologia di rivelatori a semiconduttore ovvero i rivelatori al Germanio (High-Purity Germanium detectors, HPGe) per spettroscopia gamma.
Il funzionamento dei rivelatori al Germanio, e il modo in cui il loro segnale viene amplificato e condizionato, è stato illustrato nelle lezioni introduttive.
Per un eventuale ripasso/approfondimento potete consultare il materiale che ho caricato a questo link: https://bit.ly/2Ro2vh2
Qui trovate anche i libri che vi ho consigliato nella scorsa esperienza.
Il funzionamento dei rivelatori al Germanio, e il modo in cui il loro segnale viene amplificato e condizionato, è stato illustrato nelle lezioni introduttive.
Per un eventuale ripasso/approfondimento potete consultare il materiale che ho caricato a questo link: https://bit.ly/2Ro2vh2
Qui trovate anche i libri che vi ho consigliato nella scorsa esperienza.
L'esperienza è divisa in due parti, ognuna della quale relativa un germanio differente.
Introduzione al compito
Introduzione al compito
L'obiettivo di questa esperienza è lo studio delle interazioni delle particelle gamma con la materia.
Come già detto nel caso del primo report, 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 presso il laboratorio o, in alternativa, per video lezione.
Quello che vi viene chiesto in questo compito è di cercare di comprendere come sono state eseguite delle misure di caratterizzazione e di effettuarne l'analisi.
Parte 1
1.1 Strumentazione utilizzata
La strumentazione utilizzata è quella presente nel laboratorio di Esperimentazioni di Fisica Nucleare e Subnucleare.- Crate NIM per l'alimentazione dei moduli di elettronica standard;
- Rivelatore coassiale HPGe (Ortec Coaxial HPGe Detector GEM20P)
- Generatore HV Laben Model 8124 per generare la tensione di polarizzazione per il rivelatore (e per alimentare il pre-amplificatore);
- Amplificatore CAEN Model N968 per amplificare e formare il segnale;
- ADC/MCA CAEN Model N957 per digitalizzare il segnale;
- Sorgenti di calibrazione: 22Na, 60Co, 228Th
Come già detto, tale documentazione non va studiata nel dettaglio ma, eventualmente, va consultata.
Il rivelatore al Germanio è inserito all'interno di un dewar e mantenuto a 77 K grazie ad un bagno in azoto liquido.
Nel caso del Germanio il gap di banda è piuttosto basso (0.67 eV contro 1.12 eV del Silicio) quindi non è possibile utilizzare un rivelatore di questo tipo a temperatura ambiente, in quanto la corrente oscura indotta termicamente risulterebbe eccessivamente elevata.
Nel caso del Germanio il gap di banda è piuttosto basso (0.67 eV contro 1.12 eV del Silicio) quindi non è possibile utilizzare un rivelatore di questo tipo a temperatura ambiente, in quanto la corrente oscura indotta termicamente risulterebbe eccessivamente elevata.
Il rivelatore Ortec GEM20P utilizzato ha un efficienza del 20% e una risoluzione FWHM di 1.8 keV a 1332 keV (efficienza relativa e risoluzione FWHM vengono fornite per convenzione alla riga 1332 keV).
Il segnale è acquisito con una catena di lettura classica (tra parentesi le parti integrate nello stesso dispositivo):
Il segnale è acquisito con una catena di lettura classica (tra parentesi le parti integrate nello stesso dispositivo):
(detector → pre-amplificatore) → (amplificatore → shaper) → ADC/MCA
Determinare le condizioni di lavoro ottimali significa definire quali siano la tensione di polarizzazione e i tempi di formatura tali da minimizzare la risoluzione energetica del rivelatore.
Per fare questo si studia un picco gamma generato da una sorgente nota (22Na) in funzione della polarizzazione applicata (HV) e del tempo di shaping.
I tempi di shaping selezionabili sono: 0.5, 1, 2, 3, 6, e 10 μs, mentre le polarizzazioni variano nel range da 2000 a 5000 V (HV e shaping time sono da considerarsi senza errore).
Per fare questo si studia un picco gamma generato da una sorgente nota (22Na) in funzione della polarizzazione applicata (HV) e del tempo di shaping.
I tempi di shaping selezionabili sono: 0.5, 1, 2, 3, 6, e 10 μs, mentre le polarizzazioni variano nel range da 2000 a 5000 V (HV e shaping time sono da considerarsi senza errore).
Ai seguenti link trovate gli spettri acquisiti:
in funzione della polarizzazione: https://bit.ly/34po0mQin funzione dello shaping time: https://bit.ly/34pohpS
Il nome del file indica l'alta tensione ed il tempo di shaping impostato (per questi ultimi considerate che 005.data → 0.5 μs).
I dati all'interno di ogni file non rappresentano i campionamenti temporali, come nella precedente esperienza, bensì una distribuzione.
Avete infatti 8192 righe ognuna delle quali rappresenta il conteggio per il relativo canale (riga 0 ↔ Canale 0, riga 4000 ↔ canale 4000, etc).
Nell'analizzare gli spettri dovrete valutare voi se variare o meno la dimensione del bin.
I dati all'interno di ogni file non rappresentano i campionamenti temporali, come nella precedente esperienza, bensì una distribuzione.
Avete infatti 8192 righe ognuna delle quali rappresenta il conteggio per il relativo canale (riga 0 ↔ Canale 0, riga 4000 ↔ canale 4000, etc).
Nell'analizzare gli spettri dovrete valutare voi se variare o meno la dimensione del bin.
Le misure in funzione dell'HV sono state prese con il seguente guadagno: coarse gain = 50 e fine gain = 5.
Le misure di shaping time sono state prese nelle condizioni precedenti di guadagno e scegliendo come HV quella che al punto precedente minimizzava la risoluzione.
Per ogni spettro scegliete la riga più intensa andandone a valutare posizione e sigma. Nel modello di fit dovrete anche tener conto del fondo che si va a sovrapporre al picco.
Quando lo shaping time supera un certo valore potrebbe presentarsi il fenomeno del pile-up. Per gli eventi con pile-up le ampiezze non vengono valutate correttamente e il picco globale risulta deformato; tenetene eventualmente conto nel vostro modello di fit.
Gli obiettivi di questa misura sono:
Quando lo shaping time supera un certo valore potrebbe presentarsi il fenomeno del pile-up. Per gli eventi con pile-up le ampiezze non vengono valutate correttamente e il picco globale risulta deformato; tenetene eventualmente conto nel vostro modello di fit.
Gli obiettivi di questa misura sono:
- Studio delle curve risoluzione vs. HV e risoluzione vs. shaping time e modellizzazione dell'andamento ottenuto;
- Determinazione dei valori di HV e shaping time che ottimizzano la risoluzione;
1.3 Calibrazione in energia
In questa parte si analizzano gli spettri acquisiti utilizzando delle sorgenti note per estrapolare la curva Energia ↔ Canali.
Il sistema è configurato secondo i parametri ottimi estrapolati nel punto precedente.
Le sorgenti utilizzate sono 22Na, 60Co, 228Th, e gli spettri li trovate a questo link: https://bit.ly/39VMDZu.
Il formato dei file è analogo a quello indicato nel punto precedente.
Ogni misura è durata 3 minuti; nel link precedente trovate uno spreadsheet con indicate le attività.
Gli obiettivi di questa misura sono:
2.2 Calibrazione in con sorgente multi-gamma
Il rivelatore si trova nella condizione ottima dal punto di vista del guadagno, polarizzazione e scelta dello shaping time.
La misura di calibrazione è effettuata con una sorgente multi-gamma.
A questo link (https://bit.ly/2yHTfOh) trovate la scheda della sorgente con energie, attività e frequenza di emissione.
Le attività riportate sono riferite alla data di certificazione presente sulla scheda (01 Gennaio 2013), per le vostre analisi dovrete calcolare le attività al giorno della misura (07 Aprile 2020).
Visto che la sorgente è vecchia di qualche anno, esiste la probabilità che qualche radionuclide indicato nella scheda non sia più attivo, eventualmente dovete indicare quale.
L'acquisizione è durata 3600 s con un tempo morto trascurabile. Trovate il live-time della misura anche tra le prime righe del file con lo spettro.
Lo spettro con la misura lo trovate a questo link: https://bit.ly/3e4xrwN
Nel nome del file è indicato il il codice della sorgente: UW878
Se aprire il file trovate un header e poi 16384 righe che, nuovamente, descrivono una distribuzione e dove ogni riga rappresenta un canale.
L'obiettivo di questa calibrazione sono:
Come nel precedente caso, ogni gruppo dovrà consegnare per via telematica un report (quindi più sintetico di una relazione) sull'esperienza.
Ogni report dovrà comprendere:
Alcuni consigli dopo aver iniziato a leggere i vostri primi report:
- Determinazione della curva di calibrazione Energia ↔ Canali, andando a verificare quale sia il miglior modello analitico che si adatti all'andamento sperimentale;
- Studio e modellizzazione della curva della risoluzione in funzione dell'energia andandone ad esplicitare i vari contributi;
- Stima dell'efficienza assoluta del rivelatore alle diverse energie e modellizzazione dell'andamento ottenuto.
Parte 2
2.1 Strumentazione utilizzata
In questo caso è stata utilizzata la strumentazione presente presso il Laboratorio di Radioattività del Dipartimento di Fisica.
Il rivelatore Silena utilizzato è un poco vecchio e non abbiamo documentazione da fornirvi; vi basta sapere che ha un'efficienza del 30% e una risoluzione FWHM di 1.8 keV a 1332 keV.
- Crate NIM Ortec Model 4001A
- Rivelatore coassiale HPGe (Silena)
- Generatore HV Ortec Model 659 per generare la tensione di polarizzazione per il rivelatore (e per alimentare il pre-amplificatore);
- Amplificatore Ortec Model 570 per amplificare e formare il segnale;
- ADC/MCA Ortec 920E per digitalizzare il segnale;
- Sorgente multi-gamma per calibrazione;
- Sorgente ignota.
Il rivelatore Silena utilizzato è un poco vecchio e non abbiamo documentazione da fornirvi; vi basta sapere che ha un'efficienza del 30% e una risoluzione FWHM di 1.8 keV a 1332 keV.
Il valore dell'efficienza da una qualche informazione sul volume del rivelatore, quindi significa che questo è un poco più grande del precedente.
Anche qui, il segnale è acquisito con una catena lettura classica (tra parentesi le parti integrate nello stesso dispositivo):
(detector → pre-amplificatore) → (amplificatore → shaper) → ADC/MCA
(detector → pre-amplificatore) → (amplificatore → shaper) → ADC/MCA
2.2 Calibrazione in con sorgente multi-gamma
Il rivelatore si trova nella condizione ottima dal punto di vista del guadagno, polarizzazione e scelta dello shaping time.
La misura di calibrazione è effettuata con una sorgente multi-gamma.
A questo link (https://bit.ly/2yHTfOh) trovate la scheda della sorgente con energie, attività e frequenza di emissione.
Le attività riportate sono riferite alla data di certificazione presente sulla scheda (01 Gennaio 2013), per le vostre analisi dovrete calcolare le attività al giorno della misura (07 Aprile 2020).
Visto che la sorgente è vecchia di qualche anno, esiste la probabilità che qualche radionuclide indicato nella scheda non sia più attivo, eventualmente dovete indicare quale.
L'acquisizione è durata 3600 s con un tempo morto trascurabile. Trovate il live-time della misura anche tra le prime righe del file con lo spettro.
Lo spettro con la misura lo trovate a questo link: https://bit.ly/3e4xrwN
Nel nome del file è indicato il il codice della sorgente: UW878
Se aprire il file trovate un header e poi 16384 righe che, nuovamente, descrivono una distribuzione e dove ogni riga rappresenta un canale.
L'obiettivo di questa calibrazione sono:
- Determinazione della la curva di calibrazione Energia ↔ Canali;
- Studio e modellizzazione della curva della risoluzione in funzione dell'energia andandone ad esplicitare i vari contributi;
- Stima dell'efficienza assoluta del rivelatore alle diverse energie e modellizzazione dell'andamento ottenuto;
- Giustificazione del picco presente a 2505 keV, non previsto considerando la sorgente multi-gamma utilizzata.
2.3 Riconoscimento Sorgente ignota
Sfruttando la calibrazione del punto precedente dovete analizzare uno spettro ignoto andando a definire quale sia la sorgente che lo ha generato.
L'acquisizione con la sorgente è durata 81998 s con un tempo morto trascurabile.
L'acquisizione senza sorgente, necessaria per valutare il fondo naturale, è durata 95330 s con un tempo morto trascurabile.
Lo spettro con la misura lo trovate a questo link: https://bit.ly/3e4xrwN
Sfruttando la calibrazione del punto precedente dovete analizzare uno spettro ignoto andando a definire quale sia la sorgente che lo ha generato.
L'acquisizione con la sorgente è durata 81998 s con un tempo morto trascurabile.
L'acquisizione senza sorgente, necessaria per valutare il fondo naturale, è durata 95330 s con un tempo morto trascurabile.
Lo spettro con la misura lo trovate a questo link: https://bit.ly/3e4xrwN
- Il nome del file con lo spettro ottenuto con la sorgente contiene la stringa YYYYY
- Il nome del file con lo spettro ottenuto senza sorgente contiene la stringa FoSil
Gli obiettivi di questa misura sono:
Modalità di consegna dei risultati- Analisi qualitativa dei picchi, andando a riconoscere i vari radionuclidi e determinando la sorgente primaria utilizzata.
I picchi potrebbero essere tanti, iniziate ad individuare quelli più intensi. Un utile strumento per fare questo è il Lund/LBNL database (http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/).
La misura del fondo naturale vi aiuterà a determinare i reali contributi dovuti alla sorgente; - Determinazione della curva di risoluzione in funzione dell'energia e determinazione del fattore di Fano (sfruttando il fatto che in questo caso il numero di picchi è ben maggiore rispetto ai precedenti casi).
Come nel precedente caso, ogni gruppo 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 breve descrizione del motivo per cui le prestazioni del rivelatore cambiano in funzione della polarizzazione e dello shaping time spiegando inoltre cosa sia il fenomeno del pile-up.
- Una parte di analisi dei dati ed estrapolazione dei parametri richiesti;
- Una parte di considerazioni sui dati ottenuti, che, se possibile, dovrebbe contenere una parte di confronto tra i due rivelatori.
Alcuni consigli dopo aver iniziato a leggere i vostri primi report:
- E' buona norma mettere tutti gli spettri e andamenti ottenuti, inserendone alcuni esemplificativi nel testo ed i restanti in appendice;
- Anche eventuali conti e dimostrazioni possono essere inseriti in appendice.
Cordialmente,
I docenti,
Andrea Giachero,
Silvia Capelli