B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI...

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


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


Sito web & Comunicazione

scientifica

Esperimento di Rutherford

Apparato sperimentale

Catena Elettronica

DAQ e CalcoloSoftware

Sorgenti alpha

Spettroscopia & Risultati


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


CREAZIONE UTENTI

Abbiamo ideato,

amministrato, realizzato il

nostro sito web.

Back-end: interfaccia grafica

amministratore


CREAZIONE

ARTICOLICreare un nuovo articolo

Inserire titolo

Selezionare la categoriaSelezionare l’utente

Inserire la data


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.


Esperimento di

Rutherford

Sito Web& Comunicazione

scientifica


Catena Elettronica


Sorgenti alpha


ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (I)


«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.


ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (II)

SEZIONE D’URTO


• 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:


- 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.




scientifica

Esperimento di Rutherford

Catena Elettronica


Sorgenti alpha



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.




• 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




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.


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.



Area attiva senza maschera = 50 mm2

Tensione di lavoro = 50 V


Catena elettronica


scientifica


Acquisizione dati


Sorgenti alpha



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


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


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


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)


Acquisizione dati


scientifica


Catena Elettronica


Sorgenti alpha


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.


MOONSOON2 (II)

Stage 2018 - INFN LNL

START STOP SAVE

RESET

ERRORCONFIGURE

25

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.


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.



Software


scientifica


Catena Elettronica

DAQ e CalcoloAcquisizione

dati

Sorgenti

α



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


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.


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.


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.


Sorgenti α


scientifica


Catena Elettronica


Acquisizione dati


34

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


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


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


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


Spettroscopia e risultati


scientifica


Catena Elettronica


Sorgenti alpha

α-materia


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°


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.


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.


Y(θ) e Y (E)

Studio delle dipendenze dei

conteggi normalizzati da

energia e angolo di diffusione


Y(E,θ)

Grafico tridimensionale creato con l’utilizzo di GNUplot


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)


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;

• E inoltre…


RBS PER UN GRUPPO DI RICERCA

Cr2N/Si, due spessori Pentalayer Rep 37 TiN


RINGRAZIAMENTI

Prof. Fernando Scarlassara

Dott. Valentino Rigato

Leonardo La Torre

Giovanni Scarabottolo

Daniela Zane

Dott. Michele Gulmini

Dott. Matteo Campostrini


GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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