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Stage presso i LNL:
- Alla scoperta del nucleo atomico: l’esperimento di Rutherford
Andrea Biondo
Stefano Mancone
Antonio Ocello
1 Legnaro, 16-27 Giugno 2014
- Informatica e Fisica Sperimentale
Igor Simunec
Giacomo Vedovati
Indice
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 2
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 3
L’esperimento
di Rutherford
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 4
L’apparato che Rutherford costruì per fornire un’evidenza
sperimentale al modello atomico di Thomson
Il decadimento α
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 5
È il processo per il quale un nucleo passa a un’energia minore con
rilascio di nuclei di Elio.
Le sorgenti
• Le sorgenti e il loro tempo di dimezzamento
• Energia e Intensità relativa
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 6
Sorgente 241Am 244Cm 239Pu
Tempo di
dimezzamento
433 anni 17,8 anni 24 100 anni
Attività (2014) 367 Bq 116 Bq 386 Bq
241Am 244Cm 239Pu
5,388 (1,66%) 5,763 (23,6%) 5,103 (11%)
5,442 (12,5%) 5,806 (76,4%) 5,142 (15%)
5,484 (85,2%) 5,155 (73%)
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 7
RBS
• Analisi della superficie di materiali solidi
• Tempo di acquisizione dei dati circa 15-20 minuti
• Non distruttiva (bassa penetrazione particelle α)
• Alta precisione e sensibilità
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 8
RBS
• Il fattore cinematico (rapporto tra energia
iniziale e quella finale), è specifico per ogni
elemento
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 9
=𝐸1𝐸0
• La sezione d’urto σ è una misura di probabilità relativa ad
ogni reazione (particelle α interagenti con un film sottile).
• Essa dipende dai materiali, dell’angolo e dall’energia.
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 10
RBS
RBS
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 11
C
O
Si
Campione di biossido di
silicio (SiO2) su substrato
di carbonio (C)
• La posizione dei picchi è in funzione della massa degli
elementi componenti il film.
• La larghezza dei picchi è in funzione dello spessore degli
strati.
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 12
Apparato
strumentale
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 13
AN 2000: acceleratore di
particelle lineare Van de Graaff
Apparato
strumentale
• Camera di Reazione:
– Vuoto (10-5 mbar) creato mediante due diverse pompe
a vuoto (rotativa e turbo molecolare)
• Tre diverse sorgenti α
– Studio con il mylar
• Rivelatore a stato solido semiconduttore al Silicio
– polarizzato a una differenza di potenziale ddp= 40.0 V
• Catena elettronica
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 14
Rivelatore al Silicio
Funzione: rivelare l’energia emessa dalle
sorgenti α per mezzo di creazione di coppie
elettrone-lacuna. Il segnale raccolto è un segnale
di carica.
Risoluzione: Full Width Half Maximum
(FWHM) dei diversi picchi.
Risoluzione misurata: 23 keV a circa 5 MeV di
energia.
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 15
Logbook
È un quaderno di lavoro nel quale si annotano tutte
le informazioni utili alle elaborazioni dei dati.
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 16
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 17
Acquisizione dati
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 18
Catena Elettronica
Rivelatore
• Stato solido
• Silicio
• Rileva radiazioni
Preamplificatore
• Cambia polarità segnale
• Vicino al rivelatore
Amplificatore
• Aumenta ampiezza segnale
• Integra il segnale
Convertitore Analogico Digitale (ADC)
• Discretizza il segnale
Acquisizione Digitale (DAQ)
• Acquisisce i dati
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 19
Lettura dei dati:
XRump
File di estensione .rbs
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 20
• Richiami teorici
– L’esperimento di Rutherford
– Esperienza con sorgenti α
• Rutherford Backscattering Spectrometry
• Apparato sperimentale
• Elettronica e Acquisizione Dati
• Software e Risultati
• Conclusione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 21
LabVIEW
• Ambiente di
programmazione grafico
• Spesso utilizzato come
DAQ o simulatore
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 22
Diagramma
a Blocchi
ROOT
• Pacchetto sviluppato dal CERN per l’analisi
dati
• Utilizza macro in linguaggio C++
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 23
Risultati spettri con
sorgenti α
• I dati sperimentali sono in accordo con la scheda delle sorgenti (energia delle
particelle α, rapporto tra intensità dei picchi dello stesso elemento)
• Alcuni picchi non sono visibili nello spettro (causa risoluzione del rivelatore:
FWHM 23 keV)
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 24
Retta di Calibrazione
• Retta di calibrazione costruita con sorgenti α 241Am + 244Cm+ 239Pu
• Prima risolta a mano in laboratorio con carta millimetrata, in tabella sono
visibili i risultati del fit.
• Costruita retta di calibrazione con tre punti, calcolata anche la retta teorica.
E = 10,672x - 32,098
5100
5200
5300
5400
5500
5600
5700
5800
5900
480 500 520 540 560
En
erg
ia (
keV
)
Canale (x)
Retta di Calibrazione
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 25
Elemento Canale E (keV)
Pu 486 5155
Am 517 5484
Cm 547 5806
E = 10.7 Ch – 32.1
RBS
sezione d’urto vs angolo
• Calcolo della sezione d’urto teorica e sperimentale in funzione dell’angolo θ del rivelatore.
• L’andamento del grafico sperimentale è in accordo con le aspettative teoriche.
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
100 120 140 160 180
Yn
(co
nte
ggi)
θ (°)
Yn(θ) sperimentale
Yn ∝ 1/ θ
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0.5 1 1.5 2 2.5
σ (
mb
)
sin4 (θ/2)
σ (θ) teorico
σ ∝1
sin4 (θ/2)
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 26
RBS
sezione d’urto vs energia
• Calcolo della sezione d’urto teorica e sperimentale in funzione dell’energia E del fascio α incidente
• L’andamento del grafico sperimentale è in accordo con le aspettative teoriche,
tranne che per il punto con E=1,4 MeV (possibile causa: difficoltà
dell’AN2000 a lavorare a energie minori di 2 MeV)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
σ (
mb
)
Energia (keV)
σ (E) teorico
σ∝1/𝐸
5000
7000
9000
11000
13000
15000
17000
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Yn
(co
un
ts)
E (keV)
Yn(E) sperimentale
Yn∝1/𝐸
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 27
Identificazione
elementi incogniti
Campione E0 (keV) E1 (keV) K Elemento
Au 2000 1840 0,92 Au
TiO2 2000 1417 0,7085 Ti
2000 721 0,3605 O
Ignoto 2000 1575 0,7875 Ga
Ignoto 2000 1015 0,5075 Mg
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 28
𝐾 =𝐸1𝐸0
• Si possono identificare le masse degli elementi incogniti del film dalla misura del
fattore cinematico K.
• È stata verificata la correttezza dell’ aspettativa sperimentale nel caso di film d’oro
e di biossido di titanio
• Sono stati identificati gli elementi componenti i film incogniti (Gallio, Magnesio)
Generato con GNUPlot
Joomla
• Content Management System per la creazione
di siti web
http://jmtest.lnl.infn.it/~stage/
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 29
Conclusioni
• Tecnica RBS e i suoi impieghi per identificare film
composti da elementi incogniti
• Descrizione ed uso dell’apparato sperimentale
• Funzionamento dei componenti della catena
elettronica
• Utilizzo di software appositi per l’analisi dati
• Calcolo e confronto della sezione d’urto
sperimentale e teorica in funzione dell’angolo e
dell’energia
• Implementazione di un sito web attraverso l’ausilio
di Joomla LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 30
LNL, 27 Giugno 2014 Stage B e C 31
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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