B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD Agnese Avezzù Jacopo Fanini Francesco Gualtieri Samuele Lanzi C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE Laura Brentegani Leonardo Gusson Leonardo Modeo Michele De Prato Stage 2018 - INFN LNL 1
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B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI
RUTHERFORD
Agnese AvezzùJacopo Fanini
Francesco GualtieriSamuele Lanzi
C) INFORMATICA e FISICA
SPERIMENTALE
Laura BrenteganiLeonardo GussonLeonardo ModeoMichele De Prato
Stage 2018 - INFN LNL 1
Stage 2018 - INFN LNL 2
0001. Comunicazione scientifica
0010. Esperimento di Rutherford
0011. Apparato sperimentale
0100. Catena elettronica
0101. Sistema di acquisizione dati
0110. Software
0111. Particelle α e materia
1000. Spettroscopia ed analisi dati
INDICE
Stage 2018 - INFN LNL 3
Sito web & Comunicazione
scientifica
Esperimento di Rutherford
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
Spettroscopia & Risultati
Stage 2018 - INFN LNL 4
SITO WEB
Joomla è un software per la realizzazione di siti
web con articoli catalogati nei menù a tendina
Front-end: interfaccia grafica utente
Dati
Stage 2018 - INFN LNL 5
CREAZIONE UTENTI
Abbiamo ideato,
amministrato, realizzato il
nostro sito web.
Back-end: interfaccia grafica
amministratore
Stage 2018 - INFN LNL 6
CREAZIONE
ARTICOLICreare un nuovo articolo
Inserire titolo
Selezionare la categoriaSelezionare l’utente
Inserire la data
Stage 2018 - INFN LNL 7
COMUNICATO STAMPA
Caratteristiche:
Breve e conciso;
Incipit d’effetto;
Comprensibile da tutti;
Linguaggio semplice ma
non banale;
Possibilmente anche in
lingua inglese;
Immagini;
Nelle conclusioni inserire i
contatti.
Stage 2018 - INFN LNL 8
Esperimento di
Rutherford
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
Spettroscopia & Risultati
ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (I)
Stage 2018 - INFN LNL 9
«The scattering of α and β particles
by matter and the structure of the
atom» (1911)
Modello di Thompson:
«panettone»Modello di Rutherford:
«planetario»
• Nucleo positivo;
• Elettroni inseriti nel nucleo.• Nucleo positivo;
• Elettroni negativi orbitanti.
Stage 2018 - INFN LNL 10
ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (II)
SEZIONE D’URTO
Stage 2018 - INFN LNL 11
• σ: sezione d’urto [Millibarn]
• Ω: angolo solido [Steradianti]
• Z: numero atomico
• E: energia fascio [Mega Elettroni Volt]
• ϴ: angolo di scattering
Per esempio:
• Ω = 3 msr
• Z1 = 2
• Z2 = 79
• E = 1.8 MeV
• ϴ = 160°
σ = 40 mb
CENNI DI ANALISI RBS
Tecnica qualitativa e quantitativa di fisica nucleare, utilizzata in fisica dei materiali.
• Metodo: inviare un fascio accelerato di ioni leggeri (particelle alfa) con un’energia dell’ordine del MeVsu un campione bersaglio, misurando l’energia che possiedono dopo aver effettuato un urto elastico coulombiano, ad un angolo di scattering definito, attraverso un rivelatore.
• Applicazioni:
Stage 2018 - INFN LNL 12
- misura dello spessore di film sottili/multistrati;
- rivelazione di contaminanti superficiali solidi;
- interdiffusione di film sottili;
- composizione elementare di materiali complessi;
- concentrazione di droganti in semiconduttori.
Stage 2018 - INFN LNL 13
Apparato sperimentale
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Esperimento di Rutherford
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
Spettroscopia & Risultati
Stage 2018 - INFN LNL 14
AcceleratoreCamera di
ReazioneBersaglio Rivelatore
ACCELERATORE AN2000
𝐹𝐵 = 𝑞 𝑣 × 𝐵
• L’Acceleratore AN2000 è di tipo elettrostatico Van
der Graaff;
• Genera un fascio di particelle cariche accelerate dalla
forza di Coulomb:
• Il fascio generato viene indirizzato verso la camera di
reazione tramite l’utilizzo di campi magnetici.
Stage 2018 - INFN LNL 15
AcceleratoreCamera di
ReazioneBersaglio Rivelatore
• La camera di reazione è il luogo in cui avviene
l’interazione fascio – bersaglio;
• Nella camera di reazione è fatto un vuoto spinto
di circa 10−6 mbar;
• Contiene un rivelatore.
CAMERA DI REAZIONE
Stage 2018 - INFN LNL 16
AcceleratoreCamera di
ReazioneBersaglio Rivelatore
BERSAGLIO
• Gli elementi fissati al
bersaglio sono Au/Si, Au/Ni,
SiO2/Si, Au;
• Il fascio incide sul bersaglio e
i prodotti di reazione sono
rivelati.
Stage 2018 - INFN LNL 17
RIVELATORE
Le principali caratteristiche di un Rivelatore sono:
sensibilità, risposta, risoluzione, efficienza, tempo
morto
I rivelatori sono apparecchiature utilizzate negli
esperimenti per rivelare le particelle;
Nei nostri esperimenti abbiamo utilizzato un
rivelatore a stato solito a semiconduttore al silicio, il
quale opportunamente trattato è in grado di fermare
la particella e risalire al suo valore di energia
trasferendo questa informazione come segnale
elettrico.
AcceleratoreCamera di
ReazioneBersaglio Rivelatore
Area attiva senza maschera = 50 mm2
Tensione di lavoro = 50 V
Stage 2018 - INFN LNL 18
Catena elettronica
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Acquisizione dati
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
Spettroscopia & Risultati
Stage 2018 - INFN LNL 19
PREAMPLIFICATORE
Strumento che riceve un segnale di
carica o corrente dal rivelatore e lo
trasforma in un segnale di tensione
proporzionale ad esso.
È posizionato in prossimità della
camera di reazione affinché il segnale
percorra una distanza breve e venga
influenzato in modo minore dal
rumore.
PREAMPLIFICATORE
Ortec 142B
Ampiezza 80 mV - Monopolare
(coda bipolare dovuta al rumore)
sala sperimentale
Stage 2018 - INFN LNL 20
AMPLIFICATORE
• Filtra il segnale elettronico riducendo il
rumore elettronico;
• Forma il segnale per l’ADC producendo
approssimativamente una curva gaussiana;
• Amplifica il segnale di un fattore deciso
dall’utente.
Preamplificatore AMPLIFICATORE
Ortec 572
Guadagno grezzo X 100
Ampiezza 8 V
sala sperimentale
Stage 2018 - INFN LNL 21
ANALOG TO DIGITAL
CONVERTER (ADC)Trasforma il segnale analogico proveniente
dall’amplificatore in un segnale digitale
rappresentabile quindi con dei valori numerici.
Preamplificatore Amplificatore ADC
Ortec 7423 Ultra-High-Speed
Utilizzati. 2048 canali (range
dinamico 11)
sala di controllo
Stage 2018 - INFN LNL 22
Preamplificatore Amplificatore ADC PC
L’ADC elabora il segnale suddividendo il range di
escursione in tanti livelli (quantizzazione). Il segnale
viene poi campionato ad una certa frequenza
associando ad ogni livello di tensione in ingresso un
valore discreto in codice binario (codifica).
ANALOG TO DIGITAL
CONVERTER (II)
Stage 2018 - INFN LNL 23
Acquisizione dati
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
Spettroscopia & Risultati
DAQ – MOONSOON2
• Avvio e interruzione presa dati
• Salvataggio dati ricevuti da ADC.
• Coordina la catena elettronica;
• Settaggio parametri esperimento:
nome run;
energia fascio;
angolo rivelatore.
• Controllo esperimento in tempo reale:
tempo run;
corrente fascio accelerato;
istogramma con conteggi energie rivelate.
Stage 2018 - INFN LNL 24
MOONSOON2 (II)
Stage 2018 - INFN LNL
START STOP SAVE
RESET
ERRORCONFIGURE
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sala di controllo
LOGBOOK
• Contiene tutti i parametri e le condizioni di svolgimento di ogni runacquisito;
• Facilita l’analisi dei dati;
• È pubblico e rende l’esperimento ripetibile nelle medesime condizioni;
• Riporta lo spazio occupato in memoria da ogni run.
Stage 2018 - INFN LNL 26
MAGAZZINO DATI
• Dimensione dati raccolti dal nostro esperimento: 500 kB;
• I dati sono stati analizzati attraverso un PC;
• Esperimenti più complessi possono occupare svariati TB e richiedere centri di calcolo per l’analisi dei dati.
Stage 2018 - INFN LNL 27
Stage 2018 - INFN LNL 28
Software
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloAcquisizione
dati
Sorgenti
α
Spettroscopia & Risultati
Stage 2018 - INFN LNL 29
LETTURA DATI: BINARY
VIEWER E XRUMPVisualizzazione delle
«parole informatiche», i
dati delle run contenuti nei
file creati da moonsoon2,
ovvero sequenze di numeri
in codice binario ed
esadecimale
Traduzione delle
informazioni dei
file, proprie di
ogni run e disegno
degli spettri
Stage 2018 - INFN LNL 30
LABVIEW segnali e acquisizione
1. Simula il trattamento di segnali in elettronica ed è un sistema di acquisizione dati
2. Apprendimento in modo autodidatta dal manuale.
3. Creazione e manipolazione
dei parametri di grafici di
funzioni d’onda note:
• Sinusoide;
• onda quadra;
• dente di sega.
Stage 2018 - INFN LNL 31
ANALISI DEI DATI E RISULTATI:
EXCEL, GEOGEBRA• Creazione di tabelle ordinate per la
visualizzazione globale delle variabili
dell’esperimento;
• Confronto diretto spettro-grafici.
• Costruzione della retta di
calibrazione e scrittura della
sua equazione per la
conversione canali-energia.
Stage 2018 - INFN LNL 32
ROOT E GNUPLOT
• ROOT è basato sul linguaggio informatico C++, GNUplot è scritto
in stile Unix;
• Creazione di grafici dell’andamento dei conteggi in funzione della
variazione di angolo e/o energia, bidimensionali e tridimensionali.
Stage 2018 - INFN LNL 33
Sorgenti α
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Acquisizione dati
Spettroscopia & Risultati
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PARTICELLE α
Il decadimento radioattivo α è un processo di trasmutazione di atomi instabili in
atomi a numero atomico più basso.
X = atomo genitore instabile
Y = atomo figlio stabile
Stage 2018 - INFN LNL
Stage 2018 - INFN LNL 35
SORGENTI α UTILIZZATEELEMENTO T 1/2 ATTIVITA’ (17/4/2015) ATTIVITA’
(20/6/2018)
AMERICIO (Am-241) 433 anni 1 kBq 0,992 kBq
CURIO (Cm-244) 17,8 anni 1 kBq 0,836 kBq
PLUTONIO (Pu-239) 24 100 anni 1 kBq 0,999 kBq
Per calcolare l’attività nel giorno
dell’esperimento si utilizza la formula:
𝐴(𝑡) = 𝐴0𝑒−𝑡𝜏
Dove:
• A(t) = attività al tempo t;
• A0 = attività al tempo iniziale t0;
• 𝜏 = vita media.
Tre sorgenti utilizzati:
• Numero 83: sorgente doppia Am Cm per
calibrazione
• Numero 1: sorgente tripla incognita
Am Cm Pu
• Numero 86: sorgente singola incognita
Am
Stage 2018 - INFN LNL 36
RETTA DI CALIBRAZIONESorgente di calibrazione: Am Cm
Risoluzione al picco dell’impulsatore: 1 canale = 4 keV
Americio (1300; 5484)
Curio (1378; 5806)
Plutonio (1216; 5139)
Rumore elettronico:
• canali da 36 a 99;
• Energia da 181 keV a
464 keV
Stage 2018 - INFN LNL 37
STUDIO α - MATERIA
Il mylar ha coefficiente di assorbimento
lineare pari a 130 𝑘𝑒𝑉
𝜇𝑚
Il mylar utilizzato è un foglietto di
polietilene tereftalato (C10H8O4)n con
spessore 12 𝜇𝑚.
LEGENDA:
Nero: sorgente tripla
Rosso: sorgente tripla con mylar
Nero: sorgente
Rosso: sorgente + mylar
Stage 2018 - INFN LNL 38
Spettroscopia e risultati
Sito Web& Comunicazione
scientifica
Apparato sperimentale
Catena Elettronica
DAQ e CalcoloSoftware
Sorgenti alpha
α-materia
Stage 2018 - INFN LNL 39
SPETTROSCOPIA (I)
Basandosi sugli istogrammi si può calcolare il
numero delle particelle che ha colpito il rivelatore
posto ad un angolo θ con una certa energia.
Calcolando l’integrale della curva utilizzando
XRump si trova dunque il numero di eventi che il
rivelatore ha registrato.
Nelle immagini a lato si possono osservare lo
spettro della Run 12953 ed il suo rispettivo
integrale.
I=133134Bersaglio: AuSiE=1100 keVΘ= 160°
Stage 2018 - INFN LNL 40
SPETTROSCOPIA (II)Legenda:
● 1800 keV
● 1700 keV
● 1600 keV
● 1500 keV
● 1400 keV
● 1300 keV
● 1200 keV
● 1100 keV
Lo spettro a sinistra raffigura la sovrapposizione,
degli spettri acquisiti al variare dell’energia.
Legenda:
● 71,5°
● 70°
● 65°
● 60°
● 55°
● 50°
● 45°
● 40°
● 35°
● 30°
● 25°
● 20°
Lo spettro a sinistra raffigura la sovrapposizione,
degli spettri acquisiti al variare dell’angolo.
Stage 2018 - INFN LNL 41
ANALISI DATIY(E) θ=20° Au/Si
RUN E±10 (keV) Conteggi int. Cariche (μC) F Conteggi N. Errore (±)
12960 1800 556447 9,3 2,91 191466 438
12958 1700 501391 7,6 2,38 211112 459
12934 1600 468493 6,1 1,91 245767 496
12947 1500 497394 5,8 1,81 274424 524
12948 1400 555959 5,6 1,75 317691 564
12949 1300 595789 5,1 1,59 373828 611
12953 1200 799749 6,0 1,88 426533 653
12954 1100 511049 3,2 1,00 511049 715
Y(θ) E=1600 KeV Au/Si
RUN 180,0° - θ±0,5 (°) Conteggi int. Cariche (μC) F Conteggi n. Errore (±)
12934 160,0 468493 6,1 1,91 245767 496
12946 155,0 507232 6,3 1,97 257642 508
12936 150,0 637620 7,7 2,41 264985 515
12945 145,0 620271 7,2 2,25 275676 525
12937 140,0 536802 5,8 1,81 296167 544
12944 135,0 633486 6,5 2,03 311870 558
12938 130,0 701833 6,6 2,06 340283 583
12943 125,0 690236 6,0 1,88 368126 607
12939 120,0 772994 6,1 1,91 405505 637
12942 115,0 953473 6,8 2,13 448693 670
12940 110,0 1032491 6,5 2,03 508303 713
12941 108,5 1333416 8,0 2,50 533366 730
Per confrontare i dati raccolti è stato necessario calcolare un
fattore di normalizzazione (F= 𝑄𝑟𝑞) facendo il rapporto tra
la carica raccolta nella Run e la carica più piccola tra tutte.
F è necessario poiché tutte le Run hanno tempo vivo e carica
diversi, dunque conteggi che, se non normalizzati, non
combaciano con le altre Run.
Con il fattore di normalizzazione possiamo calcolare i
conteggi normalizzati (Cn= 𝐶𝑖𝐹) facendo il rapporto tra
i conteggi integrali ed F.
Stage 2018 - INFN LNL 42
Y(θ) e Y (E)
Studio delle dipendenze dei
conteggi normalizzati da
energia e angolo di diffusione
Stage 2018 - INFN LNL 43
Y(E,θ)
Grafico tridimensionale creato con l’utilizzo di GNUplot
Stage 2018 - INFN LNL 44
RBS: FATTORE CINEMATICO (k)
𝑘𝑡 =𝑀12
(𝑀1+𝑀2)2 × 𝑐𝑜𝑠𝜃 +
𝑀1
𝑀2
2− 𝑠𝑖𝑛2𝜃
2
𝑀1 = massa atomica particella
𝑀2 = massa atomica bersaglio𝜃 = angolo di diffusione
𝑘𝑠 =𝐸1
𝐸𝑏𝑒𝑎𝑚𝐸1 = energia particella retrodiffusa
𝐸𝑏𝑒𝑎𝑚 = energia fascio
MATERIALI kt ks err K
Au/Si 0,924 0,877 0,008
SiO₂/Si 0,574 0,561 0,010
SiO₂/Si 0,374 0,380 0,013
Au/Ni 0,769 0,671 0,009
Au 0,924 0,896 0,008
𝜃 =160°𝑀1 = 4 (particella α)
Stage 2018 - INFN LNL 45
CONCLUSIONI
Abbiamo:
• Imparato a creare un sito web e scrivere un comunicato stampa;
• Approfondito le nostre conoscenze teoriche, implementandole nella pratica;
• Utilizzato il metodo sperimentale di Galilei;
• Compreso il funzionamento di una catena elettronica;
• Imparato ad usare un sistema di acquisizione dati;
• Appreso come utilizzare autonomamente nuovi software;
• Scoperto le dinamiche e caratteristiche del mondo della ricerca scientifica;