B ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO LESPERIMENTO DI

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B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE

B) ALLA SCOPERTA DEL NUCLEO ATOMICO: L'ESPERIMENTO DI RUTHERFORD C) INFORMATICA e FISICA SPERIMENTALE Agnese Avezzù Jacopo Fanini Francesco Gualtieri Samuele Lanzi Laura Brentegani Leonardo Gusson Leonardo Modeo Michele De Prato Stage 2018 - INFN LNL 1

INDICE Comunicazione scientifica e sito web Esperimento di Rutherford e tecnica RBS Apparato sperimentale

INDICE Comunicazione scientifica e sito web Esperimento di Rutherford e tecnica RBS Apparato sperimentale Catena elettronica Sistema di acquisizione dati e calcolo Software Sorgenti α Spettroscopia e risultati Conclusioni Stage 2018 - INFN LNL 2

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Comunicazione scientifica Catena Elettronica Sorgenti

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Comunicazione scientifica Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 3

SITO WEB Front-end: interfaccia grafica utente Joomla è un software per la realizzazione di

SITO WEB Front-end: interfaccia grafica utente Joomla è un software per la realizzazione di siti web con articoli catalogati nei menù a tendina Stage 2018 - INFN LNL 4

CREAZIONE UTENTI Abbiamo ideato, amministrato, realizzato il nostro sito web. Back-end: interfaccia grafica amministratore

CREAZIONE UTENTI Abbiamo ideato, amministrato, realizzato il nostro sito web. Back-end: interfaccia grafica amministratore Stage 2018 - INFN LNL 5

CREAZIONE ARTICOLI Inserire titolo Selezionare la categoria Creare un nuovo articolo Selezionare l’utente Inserire

CREAZIONE ARTICOLI Inserire titolo Selezionare la categoria Creare un nuovo articolo Selezionare l’utente Inserire la data Stage 2018 - INFN LNL 6

COMUNICATO STAMPA Caratteristiche: Ø Breve e conciso; Ø Incipit d’effetto; Ø Comprensibile da tutti;

COMUNICATO STAMPA Caratteristiche: Ø Breve e conciso; Ø Incipit d’effetto; Ø Comprensibile da tutti; Ø Linguaggio semplice ma non banale; Ø Possibilmente anche in lingua inglese; Ø Immagini; Ø Nelle conclusioni inserire i contatti. Stage 2018 - INFN LNL 7

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Esperimento di Rutherford Catena Elettronica

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Esperimento di Rutherford Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 8

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (I) «The scattering of α and β particles by matter ad

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (I) «The scattering of α and β particles by matter ad 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 9

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (II) Stage 2018 - INFN LNL 10

ESPERIMENTO DI RUTHERFORD (II) Stage 2018 - INFN LNL 10

SEZIONE D’URTO • • • σ: sezione d’urto [millibarn] Ω: angolo solido [steradianti] Z:

SEZIONE D’URTO • • • σ: sezione d’urto [millibarn] Ω: angolo solido [steradianti] Z: numero atomico E: energia fascio [ke. V] ϴ: angolo di scattering Per esempio: • Ω = 3 msr • Z 1 = 2 • Z 2 = 79 • E = 1800 ke. V • ϴ = 160° Stage 2018 - INFN LNL σ = 40 mbarn 11

CENNI DI ANALISI RBS Tecnica qualitativa e quantitativa di fisica nucleare, utilizzata in fisica

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 Me. V su 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. Stage 2018 - INFN LNL 12

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Catena Elettronica Sorgenti alpha Software

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 13

ACCELERATORE AN 2000 Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore • L’Acceleratore AN 2000 è

ACCELERATORE AN 2000 Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore • L’Acceleratore AN 2000 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 14

CAMERA DI REAZIONE Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore Stage 2018 - INFN LNL

CAMERA DI REAZIONE Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore Stage 2018 - INFN LNL 15

BERSAGLIO Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore • Gli elementi fissati al bersaglio sono

BERSAGLIO Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore • Gli elementi fissati al bersaglio sono Au/Si, Au/Ni, Si. O 2/Si, Au; • Il fascio incide sul bersaglio e i prodotti di reazione sono rivelati. Stage 2018 - INFN LNL 16

RIVELATORE Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore I rivelatori sono apparecchiature utilizzate negli esperimenti

RIVELATORE Acceleratore Camera di Reazione Bersaglio Rivelatore 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 rilevare la quantità di energia contenuta in questa e trasferire questa informazione come un segnale elettrico. Area attiva senza maschera = 50 mm 2 Tensione di lavoro = 50 V Le principali caratteristiche di un Rivelatore sono: sensibilità, risposta, risoluzione, efficienza, tempo morto Stage 2018 - INFN LNL 17

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Catena elettronica Catena Elettronica Sorgenti

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Catena elettronica Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 18

PREAMPLIFICATORE sala sperimentale Strumento che riceve un segnale di carica o corrente dal rivelatore

PREAMPLIFICATORE sala sperimentale Strumento che riceve un segnale di carica o corrente dal rivelatore e lo trasforma in un segnale di tensione. È posizionato a lato della camera di reazione affinché il segnale percorra una distanza breve e venga influenzato in modo minore dal rumore. Ortec 142 B Ampiezza 80 m. V - Monopolare (coda bipolare dovuta al rumore) PREAMPLIFICATORE Stage 2018 - INFN LNL 19

AMPLIFICATORE sala sperimentale • Filtra il segnale elettronico riducendo il rumore elettronico; • Forma

AMPLIFICATORE sala sperimentale • 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. Ortec 572 Guadagno grezzo X 100 Ampiezza 8 V Preamplificatore AMPLIFICATORE Stage 2018 - INFN LNL 20

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (ADC) sala di controllo Trasforma il segnale analogico proveniente dall’amplificatore

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (ADC) sala di controllo Trasforma il segnale analogico proveniente dall’amplificatore in un’onda quadra periodica. Ortec 7423 Ultra-High-Speed Max. 16000 bit Utilizzati. 2048 bit Preamplificatore ADC Stage 2018 - INFN LNL 21

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (II) Il segnale viene campionato associando ad ogni livello di

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (II) Il segnale viene campionato associando ad ogni livello di tensione in ingresso un valore discreto in codice binario. In questo modo esce una parola, sequenza di bit 0 e 1, che viene inviato ad un PC. Preamplificatore ADC Stage 2018 - INFN LNL PC 22

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Acquisizione dati Catena Elettronica Sorgenti

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Acquisizione dati Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 23

DAQ – MOONSOON 2 • Coordina la catena elettronica; • Avvio e interruzione presa

DAQ – MOONSOON 2 • Coordina la catena elettronica; • Avvio e interruzione presa dati • Settaggio parametri esperimento: § nome run; § energia fascio; § angolo rivelatore. • Controllo esperimento in tempo reale: § tempo run; § corrente fascio accelerato; § istogramma conteggi energie rivelate. • Salvataggio dati ricevuti da ADC. Stage 2018 - INFN LNL 24

MOONSOON 2 (II) START SAVE STOP RESET CONFIGURE ERROR Stage 2018 - INFN LNL

MOONSOON 2 (II) START SAVE STOP RESET CONFIGURE ERROR Stage 2018 - INFN LNL 25

LOGBOOK • Contiene tutti i parametri e le condizioni di svolgimento di ogni run

LOGBOOK • Contiene tutti i parametri e le condizioni di svolgimento di ogni run acquisito; • 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

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

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Software Catena Elettronica Sorgenti alpha

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Software Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 28

LETTURA DATI: BINARY VIEWER E XRUMP Visualizzazione delle «parole informatiche» , i dati delle

LETTURA DATI: BINARY VIEWER E XRUMP Visualizzazione delle «parole informatiche» , i dati delle run contenuti nei file creati da moonsoon 2, 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 29

ANALISI DEI DATI E RISULTATI: EXCEL, GEOGEBRA • Creazione di tabelle ordinate per la

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 30

ROOT E GNUPLOT • ROOT è basato sul linguaggio informatico C++, GNUplot è scritto

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 31

LABVIEW 1. Apprendimento in modo autodidatta dal manuale. 2. Creazione e manipolazione dei parametri

LABVIEW 1. Apprendimento in modo autodidatta dal manuale. 2. Creazione e manipolazione dei parametri di grafici di funzioni d’onda note: • Sinusoide; • onda quadra; • dente di sega. Stage 2018 - INFN LNL 32

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale α-materia Catena Elettronica Sorgenti alpha

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale α-materia Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 33

PARTICELLE α Il decadimento radioattivo α è un processo di trasmutazione di atomi instabili

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 34

SORGENTI α UTILIZZATE ELEMENTO T 1/2 ATTIVITA’ (17/4/2015) ATTIVITA’ (20/6/2018) AMERICIO (Am-241) 433 anni

SORGENTI α UTILIZZATE ELEMENTO T 1/2 ATTIVITA’ (17/4/2015) ATTIVITA’ (20/6/2018) AMERICIO (Am-241) 433 anni 1 k. Bq 0, 992 k. Bq CURIO (Cm-244) 17, 8 anni 1 k. Bq 0, 836 k. Bq PLUTONIO (Pu-239) 24 100 anni 1 k. Bq 0, 999 k. Bq Per calcolare l’attività nel giorno dell’esperimento si utilizza la formula: Dove: • A(t) = attività al tempo t; • A 0 = attività al tempo iniziale t 0; • τ = tempo di dimezzamento. 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 35

STUDIO α - MATERIA LEGENDA: Nero: sorgente tripla Rosso: sorgente tripla con mylar Nero:

STUDIO α - MATERIA LEGENDA: Nero: sorgente tripla Rosso: sorgente tripla con mylar Nero: sorgente + rivelatore senza maschera Rosso: sorgente + mylar + rivelatore senza maschera Stage 2018 - INFN LNL 36

RETTA DI CALIBRAZIONE Sorgente di calibrazione: Am Cm Americio (1300; 5484) Curio (1378; 5806)

RETTA DI CALIBRAZIONE Sorgente di calibrazione: Am Cm Americio (1300; 5484) Curio (1378; 5806) Plutonio (1216; 5139) Risoluzione al picco dell’impulsatore: 1 canale = 4 ke. V Rumore elettronico: • canali da 36 a 99; • Energia da 181 ke. V a 464 ke. V Stage 2018 - INFN LNL 37

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Spettroscopia e risultati Catena Elettronica

Sito Web& Comunicazione scientifica Spettroscopia & Risultati Apparato sperimentale Spettroscopia e risultati Catena Elettronica Sorgenti alpha Software DAQ e Calcolo Stage 2018 - INFN LNL 38

SPETTROSCOPIA (I) I=133134 Bersaglio: Au. Si E=1100 ke. V Θ= 160° Basandosi sugli istogrammi

SPETTROSCOPIA (I) I=133134 Bersaglio: Au. Si E=1100 ke. V Θ= 160° 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. Stage 2018 - INFN LNL 39

SPETTROSCOPIA (II) Legenda: ● 1800 ke. V ● 71, 5° ● 1700 ke. V

SPETTROSCOPIA (II) Legenda: ● 1800 ke. V ● 71, 5° ● 1700 ke. V ● 70° ● 1600 ke. V ● 65° ● 1500 ke. V ● 60° ● 1400 ke. V ● 55° ● 1300 ke. V ● 50° ● 1200 ke. V ● 45° ● 1100 ke. V ● 40° ● 35° ● 30° ● 25° ● 20° Lo spettro a sinistra raffigura la sovrapposizione, degli spettri acquisiti al variare dell’energia. Lo spettro a sinistra raffigura la sovrapposizione, degli spettri acquisiti al variare dell’angolo. Stage 2018 - INFN LNL 40

ANALISI DATI Y(E) θ=20° Au/Si RUN E± 10 (ke. V) Conteggi int. Cariche (μC)

ANALISI DATI Y(E) θ=20° Au/Si RUN E± 10 (ke. V) 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 Ke. V 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 Stage 2018 - INFN LNL 41

Y(E, θ) Grafico tridimensionale creato con l’utilizzo di gnuplot. Stage 2018 - INFN LNL

Y(E, θ) Grafico tridimensionale creato con l’utilizzo di gnuplot. Stage 2018 - INFN LNL 42

FATTORE CINEMATICO (k) MATERIALI kt ks err K Au/Si 0, 924 0, 877 0,

FATTORE CINEMATICO (k) MATERIALI kt ks err K Au/Si 0, 924 0, 877 0, 008 Si. O₂/Si 0, 574 0, 561 0, 010 Si. O₂/Si 0, 374 0, 380 0, 013 Au/Ni 0, 769 0, 671 0, 009 Au 0, 924 0, 896 0, 008 Stage 2018 - INFN LNL 43

RBS PER UN GRUPPO DI RICERCA Pentalayer REP 37 Stage 2018 - INFN LNL

RBS PER UN GRUPPO DI RICERCA Pentalayer REP 37 Stage 2018 - INFN LNL Ti. N 44

CONCLUSIONI To be defined Stage 2018 - INFN LNL 45

CONCLUSIONI To be defined Stage 2018 - INFN LNL 45

GRAZIE PER L’ATTENZIONE Stage 2018 - INFN LNL 46

GRAZIE PER L’ATTENZIONE Stage 2018 - INFN LNL 46

Stage 2018 - INFN LNL 47

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Stage 2018 - INFN LNL 48

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