C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD. Nicolò Bragagnolo Michela De Col Gabriele Titta

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1 B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD Nicolò Bragagnolo Michela De Col Gabriele Titta C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE Marco Sadocco Andrea Morelli Giulia Pretto Stage INFN di Legnaro 1

2 INDICE Particelle α e rivelatori Interazione α-materia L esperimento di Rutherford La catena elettronica Il sistema di acquisizione dati I software di analisi e rappresentazione dei dati Conclusioni Stage INFN di Legnaro 2

3 Particelle α e rivelatori 3

4 PARTICELLE α Decadimento Radioattivo Con il decadimento nuclei instabili raggiungono livelli di energia inferiori, acquisendo una maggiore stabilità. Le particelle α (nuclei di 4 2HHHH) provengono, nel nostro esperimento, dal decadimento di una sorgente di Americio ( AAAA). Dove X e Y rappresentano rispettivamente l elemento chimico genitore e figlio Stage INFN di Legnaro 4

5 ATTIVITA SORGENTE DI Am Sorgente di Americio utilizzata prevalentemente per l esperimento AAAA A(0) = 3 kbq, in data 5/07/1995 A = 2,9 kbq, in data 21/06/2017 Attività calcolata tramite la formula Dove TT 1/2 corrisponde al tempo di dimezzamento Stage INFN di Legnaro 5

6 ATTIVITA SORGENTI CALIBRAZIONE Attività AA 0 (in data 21/02/2002) A (in data 22/06/2016) AAAA 1,5 kbq 1,46 kbq CCCC 1,5 kbq 0,83 kbq Stage INFN di Legnaro 6

7 RIVELATORI I rivelatori hanno lo scopo di raccogliere le particelle provenienti dalla sorgente, dopo essersi scontrate con il bersaglio, ed inviare dei segnali agli apparati elettronici in modo da ottenere uno spettro con i dati che vogliamo analizzare. Euclides Spider Stage INFN di Legnaro 7

8 RIVELATORI AL SILICIO Il silicio viene sottoposto ad un trattamento di drogaggio che permette la formazione delle coppie elettrone-lacuna. Differenza di potenziale applicata: 40 V Area attiva: 0,28 cm 2 Esempi di rivelatori utilizzati nel nostro esperimento Grafico relativo alla risoluzione del rivelatore utilizzato, calcolata sul picco di Americio: 24 kev Stage INFN di Legnaro 8

9 Interazione α - materia 9

10 ESPERIMENTO INTERAZIONE α-materia Questo esperimento è stato eseguito in una camera di reazione con tre sorgenti α usate separatamente e con un rivelatore allo stato solido a semiconduttore di silicio. Stage INFN di Legnaro Sorgente Rivelatore 10

11 SORGENTI α Le sorgenti impiegate sono tre: una sorgente n.83 di AAAA e CCCC una sorgente sconosciuta n.24 una sorgente sconosciuta n. 86 Si è scoperto che la sorgente n.24 consiste in 3 radionuclidi, ovvero Americio AAAA, Curio CCCC e Plutonio PPPP; mentre la sorgente n.86 consiste in un solo elemento radioattivo: Americio AAAA. Stage INFN di Legnaro 11

12 ASSORBITORI In seguito abbiamo interposto tra il rivelatore e la sorgente diversi assorbitori di diverso spessore: Tantalio TTTT (3,8 µm; 6,35 mg/cm 2 ) Oro AAuu (2,5 µm; 4,825 mg/cm 2 ) Molibdeno MMMM (0,9 µm; 0,9 mg/cm 2 ) Stagno SSSS (0,5 µm; 0,4 mg/cm 2 ) Mylar (C 10 H 8 O 4 ) + Al ( 6 μm) Carbonio 12 6 CC (2,2 µm; 0,5 mg/cm 2 ) Per ognuno di questi bersagli sorgente singola n.86. abbiamo usato la Assorbitore d oro Stage INFN di Legnaro 12

13 CONFRONTO ASSORBITORI Per ciascuno di questi assorbitori, è possibile osservare l energia rimanente delle particelle α. Confrontando i vari spettri è possibile anche capire se un bersaglio ha un potere frenante maggiore o minore degli altri al passaggio di particelle α. Il potere frenante del mylar alluminato è 130 kev / μm. Picco 241 AAAA, sorgente n. 86 Il rumore dovuto all elettronica non ha alcuna influenza sulla misurazione. Channel Stage INFN di Legnaro 13

14 DIPENDENZA ENERGIA PERSA-ENERGIA Dipendenza energia persa-energia particella α Confronto valori teorici - valori sperimentali per MMMM Formula di Bethe-Bloch Stage INFN di Legnaro 14

15 Esperimento di Rutherford 15

16 L ESPERIMENTO DI RUTHERFORD Da sinistra, Marsden, Rutherford e Geiger Stage INFN di Legnaro 16

17 Analisi e commento dello spettro α α Numero run: Conteggi: Target: Au/Si Energia: 2MeV Angolo misurato: 20 Angolo di scattering: 160 Carica: 8.04 uc Corrente: 15 na Spettro riportante il segnale del Silicio sul fondo del bersaglio, dell Oro presente sulla superficie e il picco dell impulsatore, che ha permesso di individuare la risoluzione della strumentazione e di verificare che l elettronica fosse vivaα. Stage INFN di Legnaro 17

18 Formula di Rutherford Dipendenza conteggi energia rivelata Stage INFN di Legnaro 18

19 Formula di Rutherford Dipendenza conteggi angolo θ Stage INFN di Legnaro 19

20 CONTEGGI (ENERGIA, ANGOLO DI DEVIAZIONE) Conteggi normalizzati (conteggi/µc) Angolo di deviazione (gradi) Visualizzazione delle dipendenze Grafico bidimensionale elaborato con il software GNUplot. Sull asse z i conteggi normalizzati in funzione rispettivamente dell energia (asse x) e dell angolo di deviazione (asse y). Energia (MeV) Stage INFN di Legnaro 20

21 La catena elettronica 21

22 LA CATENA DI ACQUISIZIONE Una volta registrato il segnale con il rivelatore è necessario acquisirlo. RIVELATORE? Stage INFN di Legnaro 22

23 GLI ELEMENTI FONDAMENTALI RIVELATORE AMPLIFICATORE Pre AMPLIFICATORE CONVERTITORE ADC Stage INFN di Legnaro 23

24 LIMITARE IL RUMORE IL ruolo del Pre-Amplificatore è trasformare il segnale in modo che. RIVELATORE AMP RIVELATORE PreAMP AMP Stage INFN di Legnaro 24

25 IL CAMPIONAMENTO Il segnale analogico in uscita dall amplificatore è continuo e non può essere analizzato direttamente. A quest intervallo corrisponde lo stesso codice Dopo il campionamento e la conversione il computer può analizzare i dati. Stage INFN di Legnaro 25

26 SISTEMI COMPLESSI Se è necessario acquisire una grande quantità di dati in un tempo ridotto è necessario implementare un sistema di trigger. Segnale trigger: ci informa che deve iniziare l acquisizione Segnale di gate: durante il gate avviene l acquisizione Segnale di ready: indica che l acquisizione è terminata Segnale di busy: dà un informazione sul tempo morto Stage INFN di Legnaro 26

27 Sistemi di acquisizione dati 27

28 COS È UN DAQ? Un sistema di acquisizione dati ha la funzione di registrare ed elaborare le misure ottenute dall apparato sperimentale dopo che sono state elaborate dal convertitore analogico-digitale. Avvio Arresto Errore Reset (Configurazione) Salvataggio Stage INFN di Legnaro 28

29 INTERFACCIA DAQ Tempo di acquisizione Pulsante d avvio Pulsante di reset Numero run Spettro Pulsante d arresto Stage INFN di Legnaro 30

30 UTILIZZO DEL DAQ (I) Avviando l acquisizione dati inizia la creazione del grafico in tempo reale. tttttttttt mmmmmmmmmm = tttttttttt vvvvvvvv tttttttttt vvvvvvvv Stage INFN di Legnaro 30

31 UTILIZZO DEL DAQ (II) Passato un sufficiente tempo si ferma l acquisizione dei dati. Dopodiché si modifica la scala del grafico per una migliore lettura. I risultati sono poi stati raccolti in un logbook. Stage INFN di Legnaro 31

32 DATA STORAGE Il logbook è stato utilizzato per documentare i dieci eventi. Inoltre sono stati salvati i grafici raccolti ed elaborati dal DAQ. Data storage = 2kB x 10 run Rappresentazione binaria di un Run Stage INFN di Legnaro 32

33 Software 33

34 SOFTWARE Stage INFN di Legnaro 34

35 ELO, LISE++, CARTA DEI NUCLIDI SIMULAZIONE Elo e Lise++ : Simulano l interazione tra una sorgente di particelle α e un materiale. Consentono di trovare l energia persa di queste particelle. Carta dei nuclidi: Trovare l energia degli elementi Stage INFN di Legnaro 35

36 ROOT, XRUMP, GNUPLOT ELABORAZIONE Tutti questi software servono per l elaborazione dei dati in quanto consentono la visualizzazione di grafici e l analisi di spettri Stage INFN di Legnaro 36

37 EXCEL E GEOGEBRA VISUALIZZAZIONE Entrambi i software servono per creare i grafici degli andamenti con i dati acquisiti Stage INFN di Legnaro 37

38 LABVIEW Questo software consente di creare simulazioni di segnali con diverse forme d onda, frequenze, ampiezze e rumore Stage INFN di Legnaro 38

39 JOOMLA Questo software consente di creare siti web con i menù a tendina e articoli catalogati nelle relative sezioni Stage INFN di Legnaro 39

40 CONCLUSIONI Studio dell interazione α-materia Analisi dell esperimento di Rutherford Analisi del metodo RBS per lo studio delle superfici Studio della catena elettronica Studio del sistema di acquisizione dati Utilizzo di software per l analisi e la visualizzazione dei dati Stage INFN di Legnaro 40

41 RINGRAZIAMENTI Grazie a Massimo Loriggiola (servizio bersagli) Giovanni Scarabottolo (servizio sorgenti e radioprotezione) I tutor degli stage J e M Stage INFN di Legnaro 41

42 Grazie per l attenzione! Stage INFN di Legnaro 42