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Stage Di Fisica 2008 Laboratori Nazionali di Frascati I.N.F.N. I LNF sono stati costruiti nel 1955 e sono il più grande centro dell’INFN. L’istituto svolge.

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1 Stage Di Fisica 2008 Laboratori Nazionali di Frascati I.N.F.N. I LNF sono stati costruiti nel 1955 e sono il più grande centro dell’INFN. L’istituto svolge attività di ricerca nel campo delle fisica nucleare, sub-nucleare, e astroparticellare, studiando i costituenti elementari della materia e delle forze che li tengono uniti.

2 Indice: Raggi X (Produzione e utilizzo) Rivelatori al silicio (Principi di funzionamento) DEAR SIDDHARTA Analisi dati per SIDDHARTA Esperienze di laboratorio: ->legge di Ohm (Verifica) ->Acquisizione e conversione dati Gruppo Stagisti: Campus Mattia Field Barbara Garbo Valerio Guglielmi Simona Iacoponi Chiara Maccari Vladimiro Scali Beatrice Tutors: Scordo Alessandro Diana Sirghi Florin Sirghi

3 Raggi X I raggi X corrispondono a quella porzione dello spettro elettromagnetico con una lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra 10 e nanometri (nm).

4 Produzione di raggi X I raggi x vengono prodotti in appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di potenziale elettrico (decine di migliaia di volt). Gli elettroni prodotti vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale, per un fenomeno fisico assai complesso (eccitazione e diseccitazione elettronica), emette radiazioni che appartengono alla banda dei raggi x.

5 Interazione dei raggi X con la materia Per capire come vengono rivelati i raggi X osserviamo l’interazione con la materia. Ci sono tre tipi di effetti  Effetto fotoelettrico  Effetto compton  Produzione di coppie

6 Rivelatori di Particelle Rivelatori di Particelle I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare i deboli segnali prodotti da particelle atomiche e sub-atomiche. Nel nostro caso parleremo di rivelatori di fotoni associati alla radiazione elettromagnetica nello spettro dei raggi X. I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia della radiazione emessa. In particolare noi utilizziamo rivelatori al silicio che sfruttano la formazione di coppie elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale elettrico proporzionale all’energia dei fotoni incidenti.

7 Rivelatori al Silicio Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive (pochi elettroni-lacune che si formano). Per aumentare la conduzione si utilizza il silicio “DROGATO” cioè cristalli di silicio dove alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi rispettivamente del III e V gruppo Il SILICIO drogato con Boro e chiamato di TIPO P (positivo)‏ Il SILICIO drogato con Fosforo e chiamato di TIPO N (negativo)‏

8 Giunzione P-N Quando due semiconduttori diversi vengono messi a contatto l'uno all'altro, si realizza una struttura comunemente indicata come "giunzione". Questa situazione non è di equilibrio, in quanto gli elettroni tendono a muoversi. Se il polo positivo di un generatore è applicato alla zona tipo N e quello negativo alla zona P, si dirà che la giunzione è polarizzata inversamente. In questa situazione si vengono a formare 2 bande. Lungo queste bande fortemente inclinate, è molto facile che le cariche acquistino, tra un urto e l'altro, energie sufficienti a creare nuove coppie elettrone-lacuna.

9 DEAR (Dafne Exotic Atoms Research)‏ E’ un esperimento che è stato ospitato agli LNF e studia gli atomi esotici. ATOMO ESOTICO ATOMO ESOTICO = atomo che ha al posto dell’elettrone un’ altra particella negativa. Ad esempio: Per tale motivo, quando esso si diseccita, effettua delle transizioni radiative (in particolare nel livello 1s) che emettono raggi X. KAONE non è stabile Il KAONE dell’atomo esotico si trova in stato d’eccitazione e non è stabile. idrogeno idrogeno kaonico

10 DEAR (Dafne Exotic Atoms Research)‏ Nella misurazione delle transizioni, che avvengono per mezzo di rivelatori al silicio vi sono tuttavia anche altre particelle indesiderate che disturbano la misura e provocano RUMORE. SINCRONO Correlato alla creazione dell’atomo esotico. ASINCRONO Non correlato alla creazione dell’atomo esotico (DAFNE).

11 CCD DEAR (Dafne Exotic Atoms Research)‏ rivelatori al silicio utilizzati in DEAR immagazzinano informazione sotto forma di carica elettrica CCD La carica elettrica che si sviluppa all’interno del CCD e’ dovuta al passaggio dei raggi X che crea coppie elettrone-lacuna. TRIGGER Anche nelle CCD si possono verificare RUMORI e, per evitarli, occorrono dei rivelatori simili che possano utilizzare un TRIGGER.

12 Da DEAR al nuovo esperimento SIDDHARTA Per questo motivo nasce l’esperimento SIDDHARTA che utilizza SDD (Silicon Drift Detector) che sono rivelatori ad alta velocità (Silicon Drift detector for Hadronic Atom Research by Timing Application)‏ SDD

13   s p d f K   keV =  E 2p  1s E 1s } E 2p n KK Lo scopo di Dear fu quello di misurare  Lo scopo di SIDDHARTA è quello di portare l’errore totale entro qualche eV

14 DA DEAR A SIDDHARTA width  1s  [eV] KpX shift  1s [eV] Davies et al, 1979 Izycki et al, 1980 Bird et al, 1983 KpX (KEK)‏ M. Iwasaki et al, 1997  = ± 63 ± 11 eV  = 407 ± 208 ± 100 eV DEAR SIDDHARTA Misura dell’allargamento e dello spostamento della riga K  dell’idrogeno kaonico, con precisione dell’ordine dell’eV Misura dell’allargamento e dello spostamento della riga K  dell’idrogeno kaonico, con precisione dell’ordine dell’eV 2.Prima misura del deuterio kaonico

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16 Attraverso l’analisi dati e’ possibile studiare le informazioni acquisite dal rivelatore al fine di osservare lo SPETTRO ENERGETICO, che rappresenta graficamente la distribuzione del numero di particelle che formano la radiazione in funzione della loro energia. DATI DEL RIVELATORE ANALISI DATI Il rivelatore fornisce pero’ il numero di eventi in relazione ai canali, pertanto per analizzare tale spettro occorre effettuare una CALIBRAZIONE, che consiste nel determinare la quantita’ di energia presente in ogni canale.

17 Grazie al programma Origin 5.0 viene effettuato un “fit” dei dati per ottenere una distribuzione di Gauss che caratterizza la forma di un picco; in questo modo viene eliminata la componente di frenamento dell’elemento in questione, che non deve essere analizzato. Avendo analizzato dei dati provenienti da una sorgente di Fe che decade in Manganese , abbiamo potuto calibrare i canali attraverso la formula SPETTRO CALIBRATO CON LA SORGENTE DI Fe La risoluzione del rivelatore rappresenta il potere del rivelatore di distinguere tra 2 radiazioni con energia molto vicina.

18 La legge di Ohm esprime una relazione tra la differenza di potenziale V (tensione elettrica) ai capi di un conduttore e la corrente elettrica I che lo attraversa. Sia R la resistenza del conduttore, abbiamo:

19 I componenti utilizzati nelle nostre esperienze di laboratorio sono:  resistenze  diodi  condensatori Mentre gli strumenti di misura:  un multimetro digitale  oscilloscopio  generatore di tensione e generatore di segnale Componenti elettronici

20 Schema del Circuito Nel circuito il voltmetro è inserito in parallelo mentre l’amperometro in serie. Anche se l’amperometro e il voltmetro possiedono una resistenza interna, queste non influiscono sul calcolo della resistenza Rx da determinare. Per realizzare questa esperienza abbiamo utilizzato i seguenti strumenti: un generatore di tensione 0-30V, due multimetri, due resistenze R1 e R2 di valore incognito, cavi per il collegamento.

21 Rappresentazioni dei valori in tabella R1 R2

22 Misura della resistenza I=V/R I=aV a=1/R (mA/) a=0,1527 R=1/a= 6,55K

23 Acquisizione e conversione dati Mediante l'ultilizzo di LabVIEW, di un USB 6009 Data Acquisition Card e di un generatore di segnale si può ottenere la conversione da un segnale analogico ad un segnale digitale. Il sistema di acquisizione dati viene usato per ottenere un segnale digitale che puo essere immagazzinato e riprodotto su un computer.

24 Generatore del segnale USB 6009 “Computer”

25 Con LabVIEW creiamo due finestre chiamate Block Diagram e Front Panel con le quali indichiamo i passaggi necessari per ottenere una sinusoide che rappresenta il segnale ottenuto dal simulatore. Abbiamo utilizzato poi al posto del simulatore un walkman e attraverso la Play Waveform abbiamo avuto la possibilità di riprodurre il suono ottenuto, abbiamo potuto sentire qualche canzone. Front panel Block Diagram

26 Quest’esperienza è stata da noi vissuta con molto interesse perchè ci ha permesso di avvicinarci ad alcuni settori della fisica che altrimenti non avremmo mai avuto modo di conoscere; inoltre l’approccio pratico agli argomenti, che purtroppo viene generalmente a mancare nello studio scolastico della materia, ci ha particolarmente coinvolto rendendo concrete tante nozioni prima solo teoriche. CONCLUSIONI


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